面向物联网的安全的去中心化机器身份

物联网设备的数字身份对物联网系统的安全至关重要。然而，目前的集中式身份管理系统存在单点失效、遭受DDoS攻击和隐私泄露等问题。针对上述问题，结合电动汽车充电场景，提出了去中心化机器身份（decentralized machine identifier, DMID）和身份管理方案。该方案基于区块链和星际文件系统（IPFS）技术。此外，利用物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function, PUF）、真随机数生成（True Random Number Generation, TRNG）和Trustzone设计了一个安全的硬件模块，提高了DMID的安全性。最后，设计了一个仿真系统，验证了该方案的可行性和有效性。

关键字
物联网安全；区块链；去中心化身份；IPFS

引言

近年来，物联网设备的数量迅速增长。到2020年，将有大约250亿台联网设备。随着物联网设备的增长，身份安全问题受到广泛关注。目前的安全解决方案是基于公钥基础设施（PKI）的，而PKI的[2]证书的签发和撤销依赖于证书颁发机构（CA）。

然而，集中式方法有许多缺点。首先，集中式方法容易受到[3]DDoS攻击，造成单点失效;当这种情况发生时，成千上万的物联网设备将受到严重影响。其次，集中式服务器保存了所有重要的隐私数据，将成为攻击者的蜜罐。如果服务器被攻破，私有数据就会被泄露。此外，如果存储在中心服务器上的设备私钥泄露，相应的物联网设备身份将被篡改。

因此，构建一种新的身份与访问管理（IAM）系统[4]对安全设备管理具有重要意义。对IAM系统有一定的要求。首先要能够防御DDoS攻击，并能长时间稳定运行;其次，系统中记录的信息应具有不可篡改性和可追溯性。第三，物联网设备应该负责自己的身份，防止任何恶意主体窃取。

为了实现这样一个系统，本文采用了以下新兴技术：区块链、星际文件系统（IPFS）和去中心化身份（DID）。区块链[5]是一个去中心化的分布式数据库存储系统，系统中有许多节点，每个节点共享系统中的所有数据，并且所有数据都是不可篡改和伪造的。因此，采用区块链实现去中心化的身份管理，防止了单点故障。其次，IPFS是一种协议和网络，旨在创建一种在分布式文件系统中存储和共享超媒体的可内容寻址、点对点方法。它将用于我们拟建的身份管理系统的数据储存。第三，DIDs完全处于DID主体的控制之下，独立于任何集中的注册中心、身份提供者或证书颁发机构。我们结合DIDs来实现设备身份的自我管理。然而，目前的DID解决方案主要关注人的身份。将其应用于无人值守的物联网设备时，发现其安全性不足，因此集成PUF、TRNG、Trustzone等硬件模块来提高DIDs的安全性。

该文结合电动汽车（EV）来描述我们的去中心化机器身份（DMID）和身份管理系统。我们将介绍如何为EV创建DMID以及如何向EV颁发可验证凭据（VC）。此外，还提出了基于DMID和VC的电动汽车与充电桩（CP）的双向认证方案。最后，设计了一个仿真系统进行测试。

本文其余部分的结构如下。第2节介绍DID、IPFS和可验证证书的一些背景知识。第三节结合电动汽车充电场景来描述我们的DMID方案。第四节对我们的方案进行评估和讨论。第五部分是结论。

DID[6]是一种新型的只能由设备所有者管理的身份。DID是全局唯一的。DID的数据格式是一定长度的随机字符串。DID生成算法需要足够的熵来降低碰撞概率。DID是一个统一资源定位符（URL），可以唯一地解析到DID文档。

DID文档是描述如何使用DID的指定文档。DID文档的数据格式是一个单独的JavaScript对象表示法（JSON）对象。此外，一个DID文档包含四个属性：上下文属性、DID主题属性、公钥属性和身份验证属性。
context属性表示this DID文档遵循的标准。这个属性的值是统一资源标识符（Uniform Resource Identifier, URI）。然后机器可以解引URI并读取有关上下文的信息。
接下来，DID subject属性描述DID文档所指的特定实体。DID主语的值是DID。
然后，public key属性包含一个公钥数组。每个公钥包含以下属性：公钥的id，公钥的类型，如RSA或ECC，公钥的控制器，它负责管理对应的私钥和公钥本身。
最后，authentication属性是一种验证DID所有权的机制。它将包含一组验证方法，例如上面提到的公钥id。

可验证的证书数据模型

图1描述了一些核心参与者，包括颁发者、持有者、验证者和可验证的数据注册中心。颁发者是可以创建可验证凭据并将其传输给持有者的实体。持有者存储一个或多个可验证的凭证并生成可验证的演示文稿。验证者接收可验证的表示，并在可验证的数据注册表上验证它。可验证数据注册中心需要协调标识符、键和其他相关数据的创建和验证。

可验证凭证（VC）[7]由凭证元数据、声明和证明三部分组成。凭据元数据包括凭据的一些属性，例如颁发者的DID、过期日期和吊销机制。声明是关于一个主题的陈述。证明包括签名算法的类型、创建时间和基于颁发者私钥的签名。

可验证演示（VP）由演示元数据、可验证凭证和证明三部分组成。演示元数据包括VP的发布者、发布日期等。证明包括挑战、签名算法的类型和基于VP颁发者私钥的签名。

IPFS[8]是一种对等（P2P）分布式文件系统，旨在将所有设备连接到系统中。系统中的每一个都可以存储文件并跟踪一段时间内的版本。此外，与BitTorrent类似，IPFS定义了有效的共享方式，实现了P2P网络中的文件共享。再次，IPFS采用Merkle有向无环图（Directed Acyclic Graphs, DAG）数据结构，使得文件具有可寻址、不可重复和不可篡改的特点。

在本节中，我们将结合电动汽车的寿命来描述如何创建DMID以及DMID在电动汽车和充电桩之间的相互认证中的作用。

如图2所示，我们的系统架构分为三层。

底层是基础设施层，包含区块链和IPFS。我们采用智能合约来构造DID方案。此外，为了降低区块链的存储开销，将IPFS技术应用于DID文档等文件的存储。

中间层是控制层，包括用户、EV 4S店、EV厂商和CP厂商等实体。这些实体可以与区块链交互以注册它们自己的DIDs。此外，这些实体还可以注册为发行人，向电动汽车或CP颁发风险投资。最后，电动汽车的控制权将随着销售过程而转移。
顶层是应用层，EV将通过5G、NBIoT或蓝牙等无线技术与CP进行通信。它们将在DID的基础上实现相互认证。

智能合约

区块链中有三种智能合约，如图3所示。

第一个是DID合约。它包含了DID注册、DID更新、DID删除和DID查询等操作。

为了降低区块链的存储开销，采用IPFS存储DID文档。同时，将DID文档的散列值存储在区块链中，实现了高效的数据检索。

第二种是颁发者合约，当主体想要签署VCs时，需要先注册成为颁发者，然后才能发布自己的声明模板。当发行人向设备发布VC时，也会使用IPFS来存储VC，并将VC的哈希值添加到智能合约的列表中。

最后一种是交易合约，设备之间建立信任后，就可以进行交易。在该场景中，电动汽车与CP相互认证后，电动汽车根据充电合同向CP支付充电费用。

针对当前DID方案应用于物联网时在安全性方面存在的不足，设计了一种集成TRNG、PUF、TrustZone等子模块的硬件模块。我们称之为基于安全硬件的DMID模块（SHDMID）。可以将SH-DMID集成到EV中，以保证DMID的安全性。

如图4所示，SH-DMID由以下子模块组成。首先，真随机数发生器（TRNG）[9]子模块。TRNG是一个模块，它从物理进程而不是通过算法生成随机数。TRNG基于产生低电平、统计随机“噪声”信号的微观现象，如热噪声、光电效应和其他量子现象。理论上，这些随机过程是完全不可预测的。

其次，PUF[10]是物理定义的“数字指纹”，可作为微处理器等半导体器件的唯一标识。它基于半导体制造过程中自然发生的独特物理变化。例如，在我们的方案中，我们将使用基于PUF的SRAM。当它每次启动时，SRAM位元以一种不确定的方式稳定在1或0状态，即使制造商也无法预测或复制。这就是它成为物理不可克隆函数的原因，它可以用作独特的“硅指纹”。

TrustZone技术将CPU、程序内存和ram数据划分为安全状态和非安全状态[11]。处于非安全状态的CPU只能访问处于安全状态的程序内存和RAM数据。然而，在安全状态下的CPU不仅可以访问安全状态下的程序内存和ram数据，还可以访问非安全状态下的ram数据。

为了更好地将SH-DMID集成到EV中，我们保留了一些接口，如UART和SPI接口。

图5描述了DMID的创建和VC的发布过程。

在触发EV创建DMID之前，用户需要提前创建自己的DID并注册为颁发者。那么在销售过程中，电动汽车只有在所有权转移后才能被用户控制。EV创建DMID的流程可以分为三个步骤。首先，在本地生成DMID。EV将使用SH-DMID的TRNG生成一个随机数，将其传递到SHA256哈希算法中，并将输出作为DMID。

接下来，创建DMID文档。首先，EV需要生成一个空的DMID文档。然后EV需要为其添加公钥属性。EV将首先使用TRNG和SHA256哈希算法得到一个输出，该输出将作为私钥使用。为了保证私钥的安全存储，EV将使用SH-DMID的PUF对私钥进行加密，得到一个称为keycode的输出。然后基于椭圆曲线算法计算出公钥。
生成DMID文档后，EV将调用智能合约完成DMID注册。在此之前，EV需要将DMID文档上传到IPFS并获取哈希值，该哈希值将用作DID合约的输入参数。

证书的问题

EV生成自己的DMID后，用户有必要为EV颁发一个凭证。如图5所示。在开始时，EV的DMID被转移给用户。接下来，用户选择授权哪些权利并生成相应的索赔。然后用户使用自己的DID私钥对声明摘要进行签名以生成证明。与权利要求相结合的证明构成凭证。
然后，需要将凭据记录到区块链。为了降低区块链的存储开销，仍然只记录凭证的IPFS散列值。用户调用合约方法“IssuerAddVC”向区块链添加IPFS散列。当然，用户可以在任何时候撤销证书。

EV与CP之间的M2M交易

这个过程分为四个阶段。首先，建立用户与CP厂商之间的信任关系，用户向CP厂商注册并交换DMID；其次是信任传递。用户需要将制造商的DID添加到EV的信任列表中，EV将信任该制造商的所有CPs。考虑到用户数量，制造商将基于智能合约维护信任列表，CPs能够公开访问。

后来,pre-charge。区块链代币将用于支付收费费用。设计了一种由CP厂商控制的智能合约，该合约记录用户的DIDs和余额。

最后，EV和CP之间的相互认证，如图6所示。他们首先通过无线通信技术建立连接。然后，EV生成一个nonce并将其发送给CP，CP将根据自己的VC和nonce生成一个VP。接下来，EV会验证VP，看看VC的发行人是否在信任列表中。CP重复上述过程，以验证EV是否获得用户授权。如果验证成功，CP将开始充电。一旦完成收费，CP将计算费用并触发智能合约从用户的账户中扣除。

如图7所示，我们设计了两块电路板分别模拟电动汽车和充电桩，并评估了我们方案的可行性。

MCU采用NXP公司生产的LPC55S69，基于ARMv8-M架构，支持PUF, TRNG和secure boot。

我们使用ESP32作为我们的WiFi模块，HC05作为我们的蓝牙模块，它们通过UART与MCU连接，由AT命令驱动。为了方便观察，我们使用TFT屏幕打印一些关键信息。我们还设计了一个连接器，如图7所示，它可以用来模拟插充电枪的操作，中间的LED会亮起来，模拟充电过程已经开始。

同时，我们在ubuntu上搭建了一个基于以太坊的私有链，整个系统将在局域网中运行。

图8显示了在本地生成一个DMID和相应的DMID文档的时间消耗。

首先，MCU使用TRNG生成随机数。然后将该数字输入到keccak256哈希算法中生成一个32字节的数组。

MCU使用数组的最后20个字节作为DMID，并将DMID存储在flash中。生成DMID的时间大约是23.99 ms。其次，MCU使用TRNG再次生成随机数。该号码将用作私钥。然后MCU利用PUF模块对私钥进行加密，并将加密后的私钥存储到falsh中。然后，单片机利用椭圆曲线密码算法导出相应的公钥。然后MCU将使用cJson[12]算法生成最终的DMID文档。生成一个DMID文档的时间大约是259.6 ms。

我们在以太坊私有链上部署了DMID合约和颁发者合约，并测试了每个操作的gas消耗量，如表1的第二列所示。假设标准燃气价格为2 Gwei。交易费用等于天然气价格乘以天然气价格。我们得到的结果如第三列所示。根据2019年8月Ether的价格约227美元/ Ether，我们在第四栏提出了美元价格。我们可以发现，查询操作不消耗gas，而其他操作的代价相对较低且可接受。区块链具有良好的查询性能和零查询费用，非常适合在物联网中应用。

在这一小节中，我们将分析数据安全问题。如表2所示，设备的DMID和VC是公开可见的。设备的私钥对包括其所有者在内的其他人是不可见的。私钥通过PUF加密存储在Trustzone的安全flash区域中。即使黑客打开芯片并从flash中读取，他仍然无法获得真正的私钥。存储在区块链和IPFS中的数据是不可篡改的，因此一旦注册了DMID，就可以将DMID唯一地索引到DMID文档。

结论

针对目前集中式身份管理系统的不足，构建了一种基于智能合约和IPFS的物联网去中心化机器身份管理系统。结合电动汽车充电场景，详细描述了电动汽车和充电桩如何创建自己的DMIDs，并基于DMIDs的信任进行交易，而无需人工参与。设计了一套设备来模拟场景的交互过程，测试结果表明了该方案的可行性。

致谢

国家自然科学基金项目(61673275、61873166)和上海市科委项目(195****2102)。

引用

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