基于虹膜生物特征密钥的无线传感器网络用户认证和访问控制的方法研究

User authentication and access control strategy is the key measure to ensure the safety of wireless sensor network. However, a simple strategy consumes less resource but with imperfect security, an enhanced strategy has high reliability but which need to design complex authentication process and consumes more resources, hence, it is very important to design a user authentication and access control strategy which not only can meet the characteristics of resource constraints of wireless sensor network but also has high security property. The project is going to design an appropriate security policy for wireless sensor network based on iris biometric feature key, and the research contents are as follows: 1) To design self-adaptive algorithm for image preprocessing, feature extraction, feature selection, and key generation according to characteristics of iris image; 2) To construct more effective authentication strategy for wireless sensor network based iris key, and this framework can provide enhanced two-way authentication among nodes, gateways and users. Moreover, all communication messages are encrypted by iris feature key; 3) To design modified secret sharing threshold scheme to build access permission management strategy for wireless sensor network based on iris feature key. The proposed security policy can obtain good balance between security and energy consumption level for wireless sensor network resource constraints of characteristics, which can meets the characteristics of resource constraints of wireless sensor network. The project will provide a scientific and effective solution to construct practical security authentication system for wireless sensor networks, and which has important theoretical significance and application value.

采用用户认证和访问控制策略是保证无线传感器网络安全的关键手段。简单的策略消耗资源少但安全性不高，增强的策略可靠性高但算法复杂而消耗大量资源，所以设计既满足无线传感器网络资源受限的特点又具有高安全性的身份认证和访问控制策略非常重要。本项目拟基于虹膜生物特征密钥为无线传感器网络设计一个合适的安全策略，研究内容包括：1）根据虹膜图像的特性设计自适应的图像预处理、特征提取、特征选择和密钥生成算法；2）利用虹膜密钥为无线传感器网络构建更有效的身份认证策略，为用户、网关和节点提供增强型双向身份认证，并利用虹膜特征密钥加密通信消息；3）设计改进的密钥分享门限方案，构建基于虹膜特征密钥的无线传感器网络的访问控制管理策略。本项目的安全策略在安全性和能耗程度之间取得很好的平衡，满足无线传感器网络资源受限的特点，其研究成果为构建实用性的无线传感器网络安全系统提供有效的解决方案，具有重要的理论意义和实用价值。

采用用户认证和访问控制策略是保证无线传感器网络安全的关键手段，简单的策略消耗资源少但安全性不高，增强的策略可靠性高但算法复杂而消耗大量资源，所以设计既满足无线传感器网络资源受限的特点又具有高安全性的身份认证和访问控制策略非常重要。通过四年的工作，项目组完成的主要研究工作为：（1）为了更加精准地定位虹膜区域，提出基于双注意力密集连接网络的虹膜区域分割策略，通过使用通道和空间位置注意力，向高层特征融入低层丰富的空间位置信息，同时向低层融入高层丰富的语义信息，并将二者进行通道维度的拼接，实现高低层特征的有效融合。基于CSSIA、IITD、UBIRIS、以及MICHE公开虹膜数据集的R结果分别为98.76、98.20、96.32，B结果分别为98.67、98.67、95.97，F1结果分别为98.71、98.43、96.14以及93.19，这些结果优于目前已有的分割方法，分割后的掩码图像能够将被睫毛、眼睑、镜面反射、模糊等干扰因素影响的区域定位为非虹膜区域。（2）为了对定位分割后存在残缺的虹膜区域进行修复，提出基于渐进式生成对抗网络的虹膜图像修复框架，用以自主补全虹膜图像缺失的虹膜信息，从多个角度设置对比实验论证了提出方法的可行性、有效性及真实性。（3）基于理论对用户认证和控制策略的安全性分析，建立基于虹膜特征密钥的异构无线传感器网络的用户认证策略和无线医疗传感器网络的三因素用户认证策略。认证方案包含用户、网关和簇头节点三个角色，分为注册阶段、登入阶段、相互认证与密钥协商阶段、撤销与重发阶段四个阶段。用虹膜特征密钥取代传统的密码，整个认证过程只使用简单的安全单向哈希函数和异或操作，极大地降低了整个网络的能耗，同时，信息的分层传输大大地延长了整个网络的生命周期。通过与其他相关认证方案在安全性、计算开销和通信开销三方面的比较，该方案在确保了安全性的前提下，具有更高的效率。相关研究成果为大规模的资源受限网络的高级别安全认证方式的设计和实施提供理论和方法基础，具有一定的理论意义和实用价值。