基于区块链的无线Mesh网络认证方案的研究

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近年来,无线Mesh网络因具高速率、大容量、覆盖范围广等特点,已经成为新一代具有良好应用前景的无线组网技术。然而在提供终端快速入网服务的同时,网络安全认证已经变得越来越受到用户的重视。Mesh节点之间通过多跳进行数据通信,无线信道暴露在外很易遭到攻击节点的监听、修改和窃取信息。因此亟需快速安全的认证协议来确保通信安全。现有的认证机制大体基于802.1协议的集中式认证和基于CPK基础的分布式认证上进行改进。其中集中式认证易造成认证服务器单点故障问题和多跳传输带来的认证延迟;基于CPK认证方案对网络拓扑敏感,当节点位置发生变化需要重新更新信任邻居列表,增加了网络负担,具有一定的局限性。本文将区块链技术和Mesh网络安全问题为背景,实现Mesh节点认证的安全高效为目标,结合现有的无线网络认证机制的研究和缺陷分析,提出一种基于区块链的无线Mesh网络认证方案。本文重点的研究内容及主要成果如下:(1)利用密码学算法实现相邻节点初始化双向认证,具体的对相邻节点进行区块链证书的签名认证并完成会话密钥交换,将区块链证书的哈希值加上时间戳保存在区块链账本上进行广播备份。利用区块链不可篡改的特性,当新节点请求接入或者认证过的节点请求切换认证时,设计了高效的接入认证和切换认证协议,只需查询邻节点证书哈希值的方式来确定身份。不仅克服了对中心化的认证服务器具有强依赖性,还摆脱了移动节点对位置的依赖。对认证协议进行安全属性分析和性能分析,从完成节点双向认证和建立会话密钥过程中,通过减少节点之间通信次数和通信代价,能够以较少的时延完成认证过程。(2)设计了适用于本认证方案的区块链证书,利用智能合约系统来完成区块链证书的注册、更新及撤销,实现了对恶意节点的监控,增强了系统的安全性。分析了现有的PBFT共识算法在节点数量较多的情况下出现的性能瓶颈,引入信誉机制将全网共识拆分若干为子网共识,降低了算法时间复杂度。通过Fabric区块链平台进行实验,结果表明本文所提算法性能优于原有算法。(3)最后通过NS-3网络实验平台进行模拟分析,对比了现有的认证方案,本方案提出了基于区块链认证方案能够省去了与认证服务器之间的多跳传输,有效的减少了认证时延,并且通过改进共识算法,适合大规模节点接入,提高了系统的扩展性。
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