[发明专利]一种基于物理不可克隆函数的设备认证与密钥分发系统和方法

权利要求书

1.一种基于物理不可克隆函数的设备认证与密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：手工注册：在网络部署前，所有集线器HUB和终端设备在服务器上进行手工注册；注册过的设备称为合法设备，未注册的设备称为非法设备；

步骤2：网络部署：按三层树状拓扑结构部署网络设备；

步骤3：认证与密钥分发：各设备之间进行身份认证与密钥分发；所述认证与密钥分发包括服务器与集线器HUB间的认证与密钥分发和集线器HUB与终端设备的认证与密钥分发；

服务器与集线器HUB间的认证与密钥分发为服务器与集线器HUB设备之间进行双向身份认证，并由集线器HUB设备生成会话密钥，将会话密钥通过加密方式发送给服务器；具体步骤为：

(3.1)服务器在若干激励中随机选取一个激励，通过明文形式发送给集线器HUB；

(3.2)集线器HUB收到激励后，利用物理不可克隆函数PUF芯片，生成响应；同时随机生成一个会话密钥，作为集线器HUB与服务器之间通信的对称密钥；集线器HUB将会话密钥加密生成密文1，加密密钥是响应；集线器HUB生成随机数1，加密生成密文2，加密密钥是会话密钥；

(3.3)集线器HUB将激励、随机数1、密文1、密文2和自身集线器HUB标识符发送给服务器；

(3.4)服务器在本地查找集线器HUB的存储激励响应对CRP，利用存储激励响应对CRP中的响应作为解密密钥，对收到的密文1进行解密，得到明文1；若服务器本地存储的存储激励响应对CRP，与集线器HUB所生成的存储激励响应对CRP是相同的，则明文1与会话密钥相等；服务器利用解密得到的明文1作为解密密钥，对收到的密文2进行解密，得到明文2；若明文1与会话密钥相等，则明文2与得到的随机数1相等；

(3.5)服务器将解密得到的明文2与收到的随机数1进行比较，若相同，则服务器对集线器HUB的认证通过，转到步骤(3.6)；若比较结果不相同，则服务器对集线器HUB的认证不通过，服务器与集线器HUB断开连接；

(3.6)服务器生成随机数2，加密生成密文3，加密密钥是明文1；服务器将随机数2、密文3一起发送给集线器HUB；

(3.7)集线器HUB利用会话密钥作为解密密钥，对收到的密文3进行解密，得到明文3；

(3.8)集线器HUB将解密得到的明文3与收到的随机数2进行比较，若相同，则集线器HUB对服务器的认证通过，服务器与集线器HUB使用会话密钥加密通信；若比较结果不相同，则集线器HUB对服务器的认证不通过，服务器与集线器HUB断开连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆函数的设备认证与密钥分发方法，其特征在于，步骤1所述手工注册包括以下步骤：

(1)产生激励：服务器生成若干个随机数作为激励；

(2)输入激励：服务器将若干激励输入集线器HUB设备中的物理不可克隆函数PUF芯片；服务器将若干激励输入终端设备中的物理不可克隆函数PUF芯片；

(3)生成响应：集线器HUB设备中的物理不可克隆函数PUF芯片根据输入的激励生成响应；终端设备中的物理不可克隆函数PUF芯片根据输入的激励生成响应；

(4)返回响应：集线器HUB设备将生成的所述响应返回给服务器；终端设备将生成的所述响应返回给服务器；

(5)存储存储激励响应对CRP：服务器将集线器HUB设备的存储激励响应对CRP存储在本地；服务器将终端设备的存储激励响应对CRP存储在本地；

所述存储激励响应对CRP为激励值与物理不可克隆函数PUF芯片根据该激励生成的响应值组成的二元数组；存储激励响应对CRP只存储在服务器中，不存储在集线器HUB或终端设备中。

3.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆函数的设备认证与密钥分发方法，其特征在于，步骤2所述网络部署为：将一个服务器设为根节点；若干集线器HUB设备设为二层节点，一个服务器管理若干集线器HUB设备，且每个集线器HUB设备管理若干终端设备；终端设备设为三层节点，一个集线器HUB设备管理若干终端设备，终端设备与服务器不直接连接。