[发明专利]一种适用于MQTT‑SN协议的加密方法

说明书

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种适用于MQTT-SN协议的加密方法。

背景技术

MQTT-SN(Message Queuing Telemetry Transport for Sensor Networks)协议是由IBM专为无线传感器网络设计的一种轻量级基于代理的发布/订阅式消息传输协议。其设计目的主要是为大量计算能力有限且工作在低带宽、不可靠网络的无线传感器网络提供一种开放、精简、轻量级和容易实现的通信方法。有着协议消耗小、轻量级、耗电量低等适应于无线传感器网络的显著特点，且已经广泛应用于无线传感器等计算和存储资源受限的环境中。

MQTT-SN协议数据加密过程涉及3种实体：发布端、订阅端端以及代理服务器。

发布端：即消息发布者，在向代理服务器进行注册后，通过将数据按照主题分类的方式，将加密后的载荷发送至代理服务器。

订阅端：即消息订阅者，在向代理服务器进行注册后，发起订阅请求，通过代理服务器获得所订阅主题加密的载荷。

代理服务器：作为信任第三方，默认前提是安全可信的。主要功能是对发布/订阅端进行身份认证；生成发布/订阅端所需的公共参数，生成订阅端解密所需的私钥；接收发布端发布的加密载荷并转发给相应订阅端。

MQTT-SN协议采用基于代理的发布/订阅模式，发布端与订阅端并不直接相连，由代理服务器实现消息的过滤转发，从而实现了发布者和订阅者的解耦。MQTT-SN协议消息格式分为“固定报文头”、“可变报文头”以及“有效载荷”三部分，为了保持协议的轻量化，MQTT-SN协议本身并未对其“有效载荷”部分做安全处理。又由于无线传感器网络所在环境的复杂性，直接采用MQTT-SN协议使得无线传感器网络在安全方面面临威胁。其在无线传感器网络的应用面临着以下安全问题：

(1)认证问题：未实现发布端和订阅端认证，不能安全保证信源的合法性。

(2)数据机密性问题：不能保证发布端发布的有效载荷对外部而言是不可见的。

(3)数据完整性问题：不能保证发布的消息不被一个未经认证的，尤其是恶意的节点所修改。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于MQTT-SN协议的加密方法，通过对有效载荷数据采用密文策略的基于属性的加密机制(CP-ABE)进行加密处理，提升了数据在传输过程中的安全性，增强了现有MQTT-SN协议的安全特性，同时对MQTT-SN部署的无线传感器网络的安全性具有一定的提升。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于MQTT-SN协议的加密方法，该方法包括以下步骤：

S1：初始化阶段：初始化阶段是发布端和订阅端注册，代理服务器生成并下发系统公共参数的过程；发布端、订阅端和代理服务器预配置初始密钥K，发布/订阅端向代理服务器进行注册，代理服务器验证发布/订阅端身份的合法性，代理服务器根据CP-ABE算法生成系统公开参数PK及主密钥MSK，并将公开参数PK发送给已注册的发布/订阅端；

S2：加密阶段：加密阶段是发布端对要发布的有效载荷进行加密预处理的过程；发布端首先制定访问结构然后根据代理服务器生成的公共参数PK、访问结构以及主题对应的有效载荷data，采用CP-ABE加密算法生成加密载荷CT；

S3：发布阶段：发布阶段是发布端将加密载荷CT发送给代理服务器，代理服务器在接收到加密载荷CT后转发给相应订阅者的过程；发布端将加密载荷CT发送给代理服务器；代理服务器在接收到发布端发送的加密载荷CT后，验证该加密载荷的合法性，即判断该加密载荷是否为重放消息，是否经过篡改；最后，在确认加密载荷CT合法后，将其转发给相应的订阅端；

S4：解密阶段：解密阶段是订阅端在接收到代理服务器发送的加密载荷CT后，向代理服务器申请解密所需的私钥，然后对加密载荷CT进行解密提取文明的过程；订阅端在接收到加密载荷CT后，向代理服务器发起私钥生成请求并提供属性集合A_i，代理服务器根据系统公共参数PK、属性集合A_i以及主密钥MSK采用CP-ABE私钥生成算法生成私钥SK，然后将生成的私钥SK发送给对应的订阅端；订阅端根据系统的公共参数PK、私钥SK以及加密载荷CT，采用CP-ABE解密算法得到明文载荷data；如果属性集合A_i满足密文的访问结构则能成功解密密文，得到明文数据。