基于蓝牙的环绕智能身份认证系统

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2024年4月28日发(作者：)

维普资讯

第２４卷第１１期　

２００７年１１月　

计算机应用研究　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｍ　

Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．１ｌ　

ＮＯＶ．２Ｏｏ７　

基于蓝牙的环绕智能身份认证系统　

张丽艳　，何

７１００４９）　

坚　，黄樟钦　，侯义斌　，丁志彬　

（１．北京工业大学嵌入式软件与系统研究所，北京１０００２２；２．西安交通大学电脑信息技术研究所，西安　

摘要：针对环绕智能中的自然身份认证问题，提出一种基于蓝牙的认证方式。首先结合蓝牙Ａｄ　ｈｏｃ网和以　

太网的优点组建身份认证网络，再构造能惟一标志用户身份的蓝牙徽标，进而实现一种无须用户配合的身份认　

证系统。实践证明，本系统实现了一种隐式的交互方式，为构造环绕智能系统提供了基础。　

关键词：蓝牙；环绕智能；身份认证　

中图分类号：ＴＰ３９３．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３６９５（２００７）１１－０１７２—０３　

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ—ｂａｓｅｄ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　

ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ—ｙａｎ　，ＨＥ　Ｊｉａｎ　，ＨＵＡＮＧ　Ｚｈａｎｇ—ｑｉｎ　，ＨＯＵ　Ｙｉ—ｂｉｎ　，ＤＩＮＧ　Ｚｈｉ—ｂｉｎ　

（１．Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｏｉｗａ￣＆Ｓｙｓｆｔｅｍ　Ｉｎｓｔｉｔｔｅ，Ｂｅｉｕｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２２，Ｃｈｉｎａ；２。ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉ．　

ｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４９，Ｃｈｉａ）ｎ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎａｔｕｒａｌ　ｈｕｍａｎ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　

ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ—ｂａｓｅｄ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ａｔ　ｆｉｒｓｔ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ａｄ　

ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗｉｔｈ　Ｅｔｈｅｍｅｔ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｎ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｂａｄｇｅ　ｗｈｉｃｈ　ｓａｖｅｓ　ｕｓｅｒ　ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ．ａｎｄ　ｉｎ￣ｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ａｕ．　

ｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ａｎｄ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｔ　ｌａｓｔ．Ｉｔ　ｉＳ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ—　

ｂａｓｅｄ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｃａｎ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｅ　ｕｓｅｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　ｂａｓｅ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａｎ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｓｙｓ—　

ｔｅｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ；ａｍｂｉｅｎｔ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ（ＡｍＩ）；ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　

环绕智能是欧州信息社会咨询组提出的新概念，是指一种　

具有智能特性、可对用户行为作出类似人类知觉反应的电子环　

章。在ＡｍＩ环境中，用户佩戴蓝牙徽章通过传输网络与认证　

中心交互实现身份认证　。　

１．１网络拓扑　

境”ｊ。在这种环境中，人机交互的模式从传统的以计算机为　

中心转移到以人为中心。嵌入式技术和现代人机交互技术的　

发展正在不断地使这个远景目标变为现实。　

ＡｍＩ的主要目标之一就是根据不同用户的生活习惯为其　

提供个性化服务。由于用户身份区分是为用户提供个性化服　

ＡｍＩ身份认证系统的传输网络采用了蓝牙Ａｄ　ｈｏｃ网络　

与以太网络相结合的方式，拓扑结构如图１所示。从物理实现　

上该身份认证系统包含三类实体。　

务的前提，身份认证在ＡｍＩ系统中起着极为重要的作用。传　

统的身份认证技术中，用户需要有意识地配合系统进行个人身　

份的认证。这种人机交互方式与ＡｍＩ所要求的自然交互方式　

有着本质的区别。为此，本文提出一种基于蓝牙的身份认证方　

式，即用户通过随身携带的便携电子设备自动实现身份认证，　

用户甚至不会觉察到认证的过程。　

图１　ＡｍＩ身份认证网络拓扑结构　

１　技术基础　

蓝牙技术是一种使用２．４　ＧＨｚ频段的短距离无线通信技　

术。由于采用了快速跳频、前向纠错和优化编码等技术，使其　

ａ）蓝牙徽章（ＢｌｕｅＢａｄｇｅ）。其储存了用户标志信息（１Ｄ），　

利用ＩＤ的惟一性实现与用户身份绑定。用户携带ＢｌｕｅＢａｄｇｅ　

进入ＡｍＩ环境后，ＢｌｕｅＢａｄｇｅ通过蓝牙Ａｄ　ｈｏｃ网络接入身份认　

具有抗干扰能力强、通信质量稳定的优点，同时还具有低功耗、　

低成本、电磁污染小等特征　，蓝牙技术易于集成到嵌入式设　

备中。基于上述原因，开发了储存有用户身份标志的蓝牙徽　

收稿日期：２００６—０７—２９；修返日期：２００６—１０．２２　

证系统，并向认证中心提交个人身份认证数据。　

ｂ）蓝牙接入点（ＢｌｕｅＡＰ）。其负责ＢｌｕｅＢａｄｇｅ的蓝牙无线　

接入以及蓝牙通信协议到以太网传输协议的转换。用户进入　

基金项目：国家自然科学基金资助项目（９０４０７０１７）　

～　

作者简介：张丽艳（１９８１，），女，河北鹿泉人，硕士研究生，主要研究方向为计算机系统与嵌入式系统（１ｙｚｈａｎｇ＠ｅｍａｉｌｓ．Ｎｕｔ．ｅｄｕ．ｅｎ）；何坚　

（１９６９．），男，博士，主要研究方向为嵌入式软件与系统；黄樟钦（１９６５一），男，教授，硕导，主要研究方向为嵌入式系统软硬件协同设计、无线通信协　

议与Ｉｎｔｅｒａｃｔ网络、新型计算机交互；侯义斌（１９５２－），男，教授，博导，主要研究方向为计算机交互技术、Ｉｎｔｅａｒｃｔ网页可控的嵌入式系统、中文信息处　

理；丁志彬（１９７９－），男，硕士，主要研究方向为计算机系统结构、　

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第１１期　张丽艳，等：基于蓝牙的环绕智能身份认证系统　。１７３・　

ＡｍＩ环境后，ＢｌｕｅＡＰ主动获取ＢｌｕｅＢａｄｇｅ存储的用户ＩＤ并提　

ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ之间的认证可以充分利用蓝牙技术内建　

交给认证中心。　

的安全机制来实现。　

Ｃ）ＡｍＩ身份认证中心。其对传输网络所提交的用户身份　

ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ的认证过程采用蓝牙内建的挑战一　

信息进行认证，认证通过后通知ＡｍＩ控制中心对用户进行授　

应答方案，如图２所示。认证方发起挑战（发送随机序列并要　

权。　

求对方使用共享密钥进行加密），申请方作出应答（使用共享　

三类实体中，ＢｌｕｅＢａｄｇｅ是小巧、便于携带的嵌入式设备，　

密钥加密随机序列）。认证方通过对应答结果和自己对随机　

其特点是计算能力、通信能力和电源供应能力受限；ＢｌｕｅＡＰ是　

序列的加密结果（也使用共享密钥加密）的对比实现认证。　

基础网络的一部分，尽管在网络部署时有一定灵活性，但一旦　

部署完成其位置基本保持固定不变，其受物理尺寸和电源的限　

制较小，可以承担较复杂的运算任务；认证中心具有较强的计　

算能力，ＢｌｕｅＡＰ和认证中心之间通过以太网连接，可以确保认　

证中心具有较高的认证效率。在实现ＡｍＩ身份认证系统时，　

将需要大运算量和通信量的任务转移到ＢｌｕｅＡＰ和认证中心之　

间，尽量减少ＢｌｕｅＢａｄｇｅ上的运算任务以及ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和　

ＢｌｕｅＡＰ之间的通信量。　

图２　ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ之间的认证协议　

１．２　ＢｌｕｅＢａｄｇｅ构造　

上述过程的实现包括：　

ａ）匹配（ｐａｉｒｉｎｇ）。它是蓝牙设备利用ＰＩＮ码与申请者的　

不同的认证技术具有不同的特点，如基于秘密信息的身　

蓝牙设备地址（ＢＤ—ａｄｄｒ）生成初始化密钥的过程。其中，ＰＩＮ　

份认证系统虽然存在口令易泄漏的缺点，但成本低、易实现、　

码是认证过程中惟一可以由系统指定的一个参数，后续的各参　

用户界面友好，仍然被一般计算机系统所广泛使用。基于信　

数（如认证密钥和加密密钥）都与ＰＩＮ码密切相关；ＢＤ＿ａｄｄｒ是　

物的身份认证要求用户随身携带一个硬件设备，一定程度上　

由蓝牙设备生产厂商为每一个蓝牙设备分配的惟一ＩＥＥＥ地　

增加了用户的负担，实现成本较高，但可提供高级别的安全　

性，因此在金融、安保等领域具有广泛的应用　Ｊ。基于生物特　

址，认证过程中认证者通过蓝牙设备查询过程获得申请者的蓝　

征的身份认证降低了信物丢失的风险，同时又可以提供非常　

牙设备地址。ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ之间的认证实质上是一个　

高级别的安全性能，但是增加了认证系统的实现成本，因此其　

ＰＩＮ码匹配的过程。因此，ＰＩＮ码是实现第一步认证的关键　

应用范围较为有限　Ｊ。针对特定应用系统选择相应身份认证　

参数。　

ｂ）共享密钥生成。共享密钥就是蓝牙认证过程中的认证　

方案是对系统的安全需求、计算能力、设备成本和易用性等因　

密钥，即链路密钥（半永久性密钥），实现时选择了具有较高安　

素的折中。　

ＢｌｕｅＢａｄｇｅ是一个便于用户随身携带的嵌入式设备。其计　

全性的联合密钥作为共享密钥。　

算能力和电源供应能力受限，而基于信物和生物识别技术的认　

Ｃ）使用共享密钥实现挑战一应答认证过程。ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和　

证设备价格比较昂贵。因此，ＡｍＩ身份认证系统采用了ＤＥＳ　

ＢｌｕｅＡＰ认证的过程一方面实现了ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ间的认　

加密技术与挑战——应答方案相结合的认证技术。　

证（两者拥有相匹配的ＰＩＮ码），认证未通过则拒绝执行后续　

作为一个嵌入式蓝牙设备，ＢｌｕｅＢａｄｇｅ既包含基本的蓝牙　

加密过程；另一方面生成了后续加密过程所需的加密密钥，这　

通信模块，也包含存放用户身份信息的存储模块。其中，蓝牙　

样ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ在后续传输过程中可以利用该加密密　

通信模块采用ＣＳＲ公司的ＢｌｕｅＣｏｒｅ为核心设计实现　，本模　

钥建立安全的传输通道。安全传输通道的建立包含如下几步：　

块实现设备初始化、设备发现、建立连接、收发数据等通信功　

（ａ）协商加密参数，包括加密模式以及加密密钥长度；（ｂ）生成　

能；存储模块中存放了用户ＩＤ和共享认证密钥。用户ＩＤ为８　

加密密钥，由以上链路密钥、加密偏移数ＣＯＦ和一个１２８　ｂｉｔ随　

个ＡＳＩＣ字符编码，其惟一标志了用户身份，用于向认证中心　

机数生成；（Ｃ）开始加密传输，对有效净荷的流加密。　

发起认证请求；共享认证密钥以１２８　ｂｉｔ二进制数来表示，不同　

认证过程中蓝牙链路上传输的是经过初始化密钥或者共　

的用户拥有不同的共享认证密钥。认证中心拥有所有用户的　

享密钥加密过的分组信息，即使通过对蓝牙信道的监听获得了　

共享认证密钥，从而形成一个用户查找表，用来保存用户ＩＤ和　

这些分组信息，进行强力攻击反推ＰＩＮ码的可能性也非常　

共享认证密钥之间的对应关系。　

小　。因此只要保证ＰＩＮ码在两端蓝牙节点中安全存储即可　

保证ＰＩＮ码的安全性。同时，ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ认证过程中　

２身份认证协议　

并没有交换用户信息，而用户信息是在安全传输通道上传递　

的，这进一步保证了用户信息的安全。　

ＡｍＩ身份认证系统的网络拓扑结构和实体特性决定了认　

２．２　ＢｌｕｅＡＰ和认证中心的认证　

证过程分为以下两步：ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ之间的认证；　

ＢｌｕｅＡＰ和认证中心之间通过以太网进行通信，因此其认　

ＢｌｕｅＡＰ和认证中心之间的认证。　

证可以采用各种传统的认证协议来实现，如采用Ｋｅｒｂｅｒｏｓ系统　

２，１　ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ的认证　

等复杂认证协议来尽可能增加认证的可靠性。由于在ＢｌｕｅＡＰ　

ＢｌｕｅＢａｄｇｅ和ＢｌｕｅＡＰ之间通过蓝牙微微网进行通信。由　

和认证中心之间使用更复杂的认证协议并不能提升系统整体　

于蓝牙技术包含了完整的设备认证、授权和数据加密机制，　安全性，ＢｌｕｅＡＰ和认证中心的认证过程仍然选用了基于对称　

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・

１７４・　计算机应用研究　第２４卷　

密钥的挑战一应答协议，如图３所示。ＢｌｕｅＡＰ和认证中心之　

间的认证过程仅在第一步认证成功并由ＢｌｕｅＢａｄｇｅ向ＢｌｕｅＡＰ　

成功发送用户认证信息以后执行。　

Ｂａｄｇｅ进入ＢｌｕｅＡＰ覆盖范围后，ＢｌｕｅＡＰ查询、发现ＢｌｕｅＢａｄｇｅ　

并与之建立安全传输通道，然后获得用户ＩＤ与认证中心交互　

完成用户身份认证。图５是与图４相对应的认证中心的运行　

实例。其显示了ＢｌｕｅＡＰ与认证中心交互实现用户身份认证的　

过程。　

图３　ＢｌｕｅＡＰ和认证中心的认证协议　

ＢｌｕｅＡＰ通过蓝牙加密信道从ＢｌｕｅＢａｄｇｅ获得用户认证信　

息后，提取用户ＩＤ发送给认证中心的请求认证。认证中心根　

据此ＩＤ查表得到该用户的共享密钥，并生成一个随机序列发　

送给ＢｌｕｅＡＰ（挑战），同时用共享密钥对该随机序列进行加密；　

ＢｌｕｅＡＰ得到随机序列后也用共享密钥对随机序列加密并返回　

给认证中心（应答），认证中心通过匹配两个结果实现对　

ＢｌｕｅＡＰ的认证。　

图４　ＢｌｕｅＡＰ运行实例　图５认证中心运行实例　

４结束语　

ＡｍＩ身份认证系统将传统身份认证方式中的人机交互界　

面弱化，实现了一种隐式的交互方式，从而使人机交互向自然　

和谐的人人交互方向发展。　

从图３可知，身份认证中心主要实现了以下两个核心模　

块：ａ）随机序列生成算法。随机序列用于认证过程中认证者　

对申请者发起挑战，必须具有不可重复、不可预测的特性。认　

证中心实现时选择了线性同余发生器作为随机序列生成器。　

ｂ）加密算法，用来对随机序列进行加密。认证中心实现时选　

择了ＤＥＳ加密算法。　

参考文献：　

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３　系统应用　

在北京工业大学“２１　１”重点学科建设项目“环绕智能与嵌　

入式系统”实施中，项目组应用上述技术建立了一个ＡｍＩ环　

境。在该环境中，当用户携带ＢｌｕｅＢａｄｇｅ进人ＢｌｕｅＡＰ覆盖范　

围后，ＡｍＩ认证系统被触发完成用户身份认证；根据用户的身　

份标志信息，ＡｍＩ控制中心在数据库服务器上检索得到用户的　

权限列表以及个性化视／音频列表，通过ＷＬＡＮ将其下载到用　

户的ＰＤＡ上；当用户通过ＰＤＡ选择好服务内容后，房间中的　

人脸朝向系统开始检测用户人脸朝向，通知投影仪将内容投影　

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［７　Ｊ　Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｒａｄｉｏ　Ｌｔｄ．ＢｌｕｅＣｏｒｅ２一ｅ￣ｅｍＭ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄａｔａ　ｂｏｏｋ　

［ＥＢ／ＯＬ］．（２００３—０３—２８）．［２００５—０４—０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓｒｓｕｐｐｏｒｔ、　

ｃｏｍ／ＣＳＲＶＤａｔｅＳｈｅｅｔｓ／ＢｌｕｅＣｏｒｅ２－Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ／２６２

Ｃｏｍ２一Ｅｘ￣ｍＭ　Ｄａｔａ　Ｂｏｏｋ．ｐｄｆ．　

一

Ｂｌｕｅ　

到用户面对的墙壁上；当用户离开时，ＡｍＩ身份认证系统触发　

用户脱离事件，进而停止媒体播放、注销用户。　

图４为项目中的一个ＢｌｕｅＡＰ运行实例。实例中，当Ｂｌｕｅ—　

［８］眭俊华，张海盛．蓝牙技术安全性解析［Ｊ］．计算机应用，２００２，２２　

（１０）：１２—１７．　

（上接第１７１页）　

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