基于隐式物理指纹的设备标识认证与安全通信方法研究

Communications among wireless devices have a urgent need for effective trustworthy identification and authentication techniques, and secure key generation methods. Traditional solutions are usually based on application-layer protocol and cryptographic algorithms, leading poor performance, high requirements on the device and system capability, vulnerability to the compromising and cloning attacks. We propose a pulse auto-correlation based feature fingerprint extraction method and joint-authentication technique combining with the communication protocol. With the feature extracted from both the environment and device, unclonable fingerprint can be formed to support the practical, efficient, and reliable identification for multiple devices. Such designs have no needs to modify commercial products and communication protocols. Meanwhile, we use "verification-recombination" process instead of traditional information reconciliation. It effectively removes the correlation between OFDM subcarriers, therefore defends predictive attack and increase the key extraction rate. This research will overcome the bottleneck of existing approaches, such as the incompatibility with real systems, inefficiency in the identification and key generation, and further guarantee the secure deployment and running for wireless devices in variant mobile computing systems.

无线环境由于其开放性以及分布式等特点，迫切需要可信身份认证和高效的加密算法。传统的基于应用层协议的设备认证和加密算法的方法效率低下，难以抵抗重放攻击和克隆等攻击等新的攻击手段。课题组拟采取基于脉冲自相关性质的信号特征指纹提取方法，从设备的无线信号中提取设备自身的特征，形成不可伪造的识别认证指纹，在无需改变现有产品和协议的前提下，实现高效、可靠的多设备识别认证。在设备认证之后，课题组拟采用密钥“验证-重组”策略代替传统的信息调和过程，使双方在没有密钥交换和分发的情况下，生成一致密钥，消除OFDM 子载波之间的相关性，在增强安全性的同时提高密钥生成速率。最后，课题组拟针对多用户MIMO系统容易遭受窃听攻击和干扰攻击等问题，利用信道状态验证的方法，实现多设备并发数据传输时的安全问题。本研究有助于克服现有方法与实际系统兼容性差、效率低下的技术瓶颈，保障无线设备在各种移动互联应用中的安全部署和运行。

物联网业务深入多个行业，全方位影响人民生活，相应的安全问题也将带来严重威胁，甚至包括生命和财产安全。课题针对物联网系统中的安全认证问题，围绕防重放设备认证、零先验无线配对、生物特征同化认证、无线安全通信4个方面开展研究。项目按计划进展顺利，在完成课题原计划的有源设备认证、无源设备认证和安全通信的基础上，针对物联网当前的发展需求，对目标认证和目标识别也进行了研究，并在实际系统中进行了验证和成果转化。项目发表高水平论文14篇，其中CCF A类论文11篇，物联网领域SCI一区期刊1篇，申请相关发明专利6项，指导硕士生获得IEEE INFOCOM 2019大会最佳论文奖，完成所有研究目标。项目的研究成果可有效提升“人、机、物”认证效率和安全性，增强无线通信的安全性，可广泛应用于物联网相关领域，以提升系统的安全性和便捷性。