[发明专利]一种基于物理层密钥的ZigBee主密钥保护方法和设备

说明书

本发明公开了一种基于物理层密钥的ZigBee主密钥保护方法和设备，以新设备加入网络过程作为改进对象，将物理层密钥生成过程整合于其中，完成加入者和协调器两端的物理层密钥生成，利用物理层密钥弥补ZigBee设备中没有共享主密钥的前提下，“明文传输密钥命令”的安全漏洞。本发明基于信道特征的生成的物理层密钥只与无线信道本身有关，与信道上传输的具体内容无关，由于信道特征在空间上具有独立性，窃听者无法获取合法信道特征，也就无法破解密钥，在物理层解决了明文传输密钥命令问题。

技术领域

本发明涉及无线通信网络安全领域，具体涉及一种基于物理层密钥的ZigBee主密钥保护方法和设备。

背景技术

ZigBee是基于IEEE 802.15.4协议标准的低功耗局域网协议，ZigBee是一种短距离、低速率的无线通信技术，其特点主要有数据传输速率低、功耗低、数据传输可靠、网络容量大、自动动态组网、自主路由等。在工业控制、家庭自动化、医疗与健康监护、现代农业等方面有诸多益处，但其也面临严峻的安全问题。

ZigBee规范中采取的安全措施能够满足一般网络通信的安全需求，但ZigBee网络在密钥分配方面仍存在诸多安全缺陷。当网络中的一些节点损坏或者电量耗尽而不能继续通信时，需要向网络中加入新的节点。新加入的节点获得信任中心认证后，给其分配通信密钥。目前ZigBee 规范中主密钥的初始分配采用的是基本的预安装密钥，即由网络管理员或者工作人员在新节点入网之前植入主密钥，操作过程复杂，成本较高，与ZigBee低成本特征不符合，且不能进行及时更新；而在没有共享主密钥的前提下，采用的是非安全即明文传输密钥命令，会导致一个短时的易受攻击期，主密钥可能被任何设备获得。虽然ZigBee网络使用了网络密钥和连接密钥分离的机制来保障网络的安全性，但主密钥是网络长期安全的基础。如果一个未经信任的设备能够获得主密钥，将无法保证ZigBee网络安全性。

针对ZigBee设备中没有共享主密钥的前提下，“明文传输密钥命令”的安全漏洞，现有方法例如隐蔽通信，通过隐蔽信道传输用来生成密钥的先验信息，方案执行时仍需要非安全的传输先验信息，安全性能低；而安全性能高的基于公钥密码体制的方法，例如利用椭圆曲线上的点乘，双线性运算等，此类方案虽然避免了主密钥的预分配，但计算开销大，不适用于资源受限的ZigBee节点；其他基于物理层的加密方法，仍然则需要额外的收发信号，兼容性低。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于物理层密钥的ZigBee主密钥保护方法和设备，能够防止ZigBee主密钥通过明文传输方式泄露给攻击者。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于物理层密钥的ZigBee主密钥保护方法，包括以下步骤：

步骤1：加入者向个人局域网的协调器发出关联请求命令，启动设备连接；

步骤2：所述协调器向所述加入者发送关联请求确认；

步骤3：所述协调器在物理层解析接收信号，并提取对应的信道特征参数，所述信道特征参数包括接收信号功率RSS_A；

所述加入者在物理层解析接收信号，并提取对应的信道特征参数，所述信道特征参数包括接收信号功率RSS_B；

步骤4：所述协调器对步骤3得到的所述接收信号功率RSS_A进行预处理，生成预处理值 RSS′_A,i；

所述加入者对步骤3得到的所述接收信号功率RSS_B进行预处理，生成预处理值RSS′_B,i；