一種物聯網環境下第三方協助的用戶認證策略

王志輝　尹惠敏　趙敏

摘要：針對傳統Internet安全策略，在實現兔場養殖環境監控系統網絡層安全通信設計方案時，需要較高的單片機系統開銷、軟件開發成本和系統維護成本的情況。文章提出7一種借助系統內第三方的非對稱的雙向安全認證、密鑰協商、加密通信的改進方案。實驗證明該設計方案可在不增加網關單片計算能力和系統建設成本的情況下，實現系統中心服務器協助物聯網網關完成與客戶端APP的雙向認證、密鑰協商工作的設計要求。

關鍵詞：物聯網 安全 用戶認證 密鑰協商

引言

基于物聯網技術的設計兔場養殖環境監控系統，通過物聯網網關將兔舍內部大量的傳感器和環境干預控制器等設備聯入因特網。實現了兔舍環境參數如溫度，濕度，有害氣體濃度等的自動采集，并上報至系統服務器存儲服務器自動分析兔舍內部環境參數的變化趨勢，對于可能影響家兔正常生長的不利變化，如溫度高于30℃的情況，向用戶推送預警消息;用戶通過手機APP或web頁面隨時隨地，接收系統預警消息，并遠程干預兔舍內部環境。如打開降溫風機，降低兔舍內部溫度，將溫度控制在家兔適宜20 30℃之間，或打開換氣風機，降低兔舍內氨氣的濃度。從而減少不利的環境因素，對肉兔正常生長的影響。

圖l為兔場養殖環境監控系統的架構圖，分為三層。分別是由各型傳感器和控制器構成感知層;由系統預警服務器和客戶端構成應用層和由物聯網網關、系統服務器、客戶終端的網絡傳輸部分構成的網絡層。各層緊密協作完成系統設計目標。

物聯網網關核心業務對硬件計算能力的需求較低，小型嵌入式系統完全可以滿足需求。但這就使得構成系統網絡層的客戶端APP、系統服務器、物聯網網關，三個主要硬件設備之間，形成了計算能力的不對等特性。采用傳統的Internet系統認證略，如vpn，ssl等會增加網關的業務負載，需要提高網關cpu的計算能力、內存空間以及網關應用程序的代碼量，開發效率和維護成本等。

1非對稱的系統用認證策略

鑒于傳統認證策略在解決兔舍環境監控系統中網關用戶認證問題時，表現出的不足，本文提出了關借助系統服務器的完成用戶認證的改進策略。其核心思想是，首先系統服務器分別對系統用戶和網關完成認證工作;在用戶需要與網關建立鏈接時，協助雙方建立鏈接，并分擔網關部分的計算任務，輔助網關完成用戶認證工作，從而滿足兔場養殖環境監控系統的整體設計需求。

2網關與系統服務器的身份認證

網關進入正常工作狀態后，客戶端APP可以直接與網關建立通信鏈接，并發送當前數據查詢命令和環境干預命令。此時命令信息的安全相當于系統的安全。結合網關的計算機能力和自動化程度的限制，本文系統設計了在系統服務器輔助下的用戶與網關的認證過程，具體如T。

（1）客戶端APP向服務器提出，鏈接設備請求。

（2）系統服務器生成客戶端網關認證信息，并通過已有通道發送給客戶端APP和對應物聯網網關。

（3）客戶端APP接收到用戶網關認證信息后，使用信息秘鑰加密用戶認證信息連接指定IP網關。

（4）網關驗證用戶認證信息，一致，返回成功，并轉入下一步。

（5）客戶端使用加密消息向網關發送指令。

（6）網關解密，驗證指令的合法性。成功則執行指令，返回結果。失敗丟棄指令。

3實驗

依據圖一所示，兔場養殖環境監控系統系統架構圖，構建本文系統的實驗測試平臺。系統服務器使用固定IP的IOMP光纖專線接人Internet。以Android 4.2系統的手機和windowsPC作為客戶端平臺。部署三套物聯網網關及系統感知層子系統于宣化永利肉兔養殖場，懷安國強兔場及北方學院肉兔養殖實驗室?？蛻舳撕途W關據采用ADSL方式接入Internet，位于NAT設備之后，IP地址動態可變。

圖2為系統服務器輔助網關進行客戶認證的過程。第一幅圖為客戶端APP，授權直接鏈接的網關列表;第二副，提示用戶無權查詢指定網關的當前數據;第三副，為通過直連方式從指定網關查詢到的當前數據信息;第四副，為用戶開啟換氣風操作后，系統提示，風機開啟。第五幅，為網關丟棄非法請求后，客戶端APP操作超時提示。

4結論

本文針對兔場養殖環境監控系統的物聯網網關，受計算能力和成本的制約，不適用傳統Internet認證策略的情況。首先分析了兔場養殖環境監控系統的網絡層信息的特點;然后提出了利用Android手機App輔助進行網關認證，以及利用系統服務器輔助網關進行遠程客戶認證的策略。最后構建了實驗環境，驗證了該認證方案在具有較低計算能力的硬件平臺上實現系統物聯網網關的設計指標是可行的。

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