第 1 章 前言
1.1 研究背景
物联网（Internet of Things, IoT）自 2005 年 11 月 17 日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上正式提出后，便在各行各业形成了一场变革。时至今日，IoT 已经演化成了统合传统网络、传感器网络、一般计算、云计算、雾计算、边缘计算、点对点网络、信息通信技术(InformationAnd Communication Technology, ICT)等的全新产业链。
物联网是在互联网的基础上将各种信息传感设备结合起来而形成的巨大的网络系统，在任何时间、地点均可以实现人、机、物的互联互通。其市场发展迅猛，终端设备逐年递增，已经深入到各个行业，全面改变着人民大众的生活和工作，故其安全问题也对大众生活影响甚大。目前物联网安全隐患较大，其产业链中的安全环节占比低。
物联网已经在农业领域得到了广泛的应用。2012 年安徽省被列为全国农业物联网试点省，建立了 13 个试验示范县 50 个示范点[2]。低功耗广域网技术运用到传统农业环境数据监测技术中，可实现距离远、成本低、功耗低的农业物联网环境数据监测系统[3]。四川省以泸州董允坝农业示范区为试点，在泛在电力物联网建设基础上，发挥农业优势，研究建设“国网+智慧农业”生态圈[4]。
物联网安全主要涉及到三个方面，即数据安全、网络安全和终端安全。非法入侵、恶意代码、流量攻击等是目前物联网面对的主要来自安全方面的威胁。
农业物联网采用的控制设备和信息采集设备多种多样，由于农耕需要，所采用的传感器设备大多分布范围广、暴露于自然生态环境中，安全性和稳定性难以得到较好的保证[5]。极易受环境变化的干扰和人为因素的损坏，例如大田里、温室里的一些物联网设备，攻击者可以轻易的直接或者间接接触到。这些终端设备往往控制着农作物或动物的生长生活环境，一旦被恶意攻击或者篡改，将会造成严重的后果，轻者减产减收，重者会造成大规模的农作物或动物死亡，造成农户的经农业物联网采用的控制设备和信息采集设备多种多样，由于农耕需要，所采用的传感器设备大多分布范围广、暴露于自然生态环境中，安全性和稳定性难以得到较好的保证[5]。极易受环境变化的干扰和人为因素的损坏，例如大田里、温室里的一些物联网设备，攻击者可以轻易的直接或者间接接触到。这些终端设备往往控制着农作物或动物的生长生活环境，一旦被恶意攻击或者篡改，将会造成严重的后果，轻者减产减收，重者会造成大规模的农作物或动物死亡，造成农户的经
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 椭圆加密算法研究现状
公钥加密，也叫非对称（密钥）加密（public key encryption），是由彼此对应的一对唯一的密钥（即公开密钥和私有密钥）组成的加密方法。
ECC 是一种公钥加密体制，1985 年由 Koblitz 和 Miller 两人提出。可以在安全传输层协议（Transport Layer Security, TLS）,基于 RSA 加密算法（RSA algorithm, RSA）的邮件加密系统（Pretty Good Privacy,PGP）和安全外壳协议（Secure Shell, SSH）这三项构建了现代 Web 和信息技术（Information Technology, IT）世界的重要技术中找到椭圆曲线加密系统，比特币和其他数字货币加密技术也都采用了椭圆曲线加密。
第六届国际密码学会议对应用于公钥密码系统的加密算法推荐了两种：基于大整数因子分解问题的 RSA 加密算法和基于椭圆曲线上离散对数计算问题（Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem,ECDLP）的 ECC 算法。RSA 算法易于实现，但安全强度相对较低。ECC 的主要优势是在某些情况下它比其他的方法使用更小的密钥，这意味着同等安全级别 ECC 算法所需要的密钥长度远比 RSA 算法低，解决了以往提高安全级别必须增加密钥长度所造成的系统负担。ECC 被广泛认为是在给定密钥长度的情况下，最强大的非对称算法，存储空间占用小，带宽要求低，在私钥的加密解密速度上，ECC 算法比 RSA、DSA 速度更快。
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第 2 章 相关背景知识
2.1 物联网
物联网(Internet of Things,IoT)简单来说就是实现智能设备间的互联互通[23]。越来越多的智能设备出现在人民大众的生活工作中，含有智能芯片无线终端的手环、手表、传感器、移动终端、工业系统、数控系统、智能家居设备、视频监控系统、办公设备、工业农业设备，含有 RFID 的资产设备、含有无限终端设备的车辆等通过有线或者无线网络实现互联互通[24]，在特定的网络模式下，采用一定的信息安全机制，提供远程控制、实时监测监控、定位、溯源、调度指挥、运行维护、统计、数据采集、远程桌面等功能[25]，跨空间、地域实现对智能“物”的管控，使生活工作更加的高效、节能、便捷、安全、环保。
目前物联网用到的技术主要有射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、嵌入式技术、智能技术等[26]。
2.1.1 射频识别技术
无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是自动识别技术的一种。通过无线电波不接触进行快速信息交换和存储的一种技术，结合数据访问技术，实现非接触的双向数据通信，完成识别、数据交换的目的。将本无关联的设备串联到一个系统中。完整的 RFID 系统由读写器(Reader)、电子标签(Tag)和数据管理系统三部分组成。其被认为是 21 世纪最具发展潜力的信息技术之一。目前被广泛用于物流、交通、身份识别、防伪、资产管理、食品、图书管理等方面[27]。
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2.2 身份认证
在日常生活中身份认证是每天基本都要用到的一项技术，如登录微信、QQ、邮箱、游戏、健康码等。通过一定的技术手段，核实用户的身份是否合法、访问资源的权限如何，进而保证资源被可靠、安全有效的合法的访问，防止恶意攻击者，阻止非法用户访问网络资源，保证网络系统和数据的安全，以及合法用户的权益[30]。
好的认证协议既需要防止窃取、重放和欺骗威胁等问题，又要考虑协议实现的代价[31]。身份认证基于现代密码学理论，主要有对称密码、公钥密码、对称密码和公钥密码相结合。2018 年双向身份认证这种方式被提出，即一方发一个挑战报文，另一方回答一个响应报文，反之亦然。
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第 3 章 基于 ECC 算法的农业物联网双向身份认证策略设计............... 22
3.1 农业物联网架构..............................22
3.1.1 感知层..................................... 23
3.1.2 网络层.............................................. 23
第 4 章 ECWL 安全性能分析.............................34
4.1 非正式安全性能分析.................................34
4.2 抗攻击性分析............................... 35
4.3 基于 BAN 逻辑的形式化安全分析..............................37
第 5 章 基于 ECWL 策略的应用....................................44
5.1 项目需求............................................ 44
5.2 开发运行环境............................................... 46
5.3 测试环境....................................... 50
第 5 章 基于 ECWL 策略的应用
5.1 项目需求
环境因素对动植物的生长影响非常大[53]。如茶苗生长温度在为22℃-28℃，湿度为 50%-70%，最佳值为 25℃和 60%[54]；黄瓜种植湿度一般保持在 60%~80%，温度在 18~30℃为最佳，进行光合作用时温度需要提高 3~5℃，长期温度高于 38℃或低于 15℃均会影响黄瓜发育[55]，湿度过高会造成真菌繁殖，影响黄瓜生长，进而影响黄瓜品质和产量[56]。
温室大棚能在气候不适宜的季节，为植物生育期提供适宜需要的生长环境，并通过设定最优生长环境增加产量，低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等大多通过温室大棚提供必要的生长环境。例如食用菌温室大棚，CO2 浓度、空气温湿度严重影响着作物的健康生长，一般农场都沿用老的工作方法，依靠工作人员逐一到温室大棚中利用检测仪进行测量，一旦浓度超标，或是温度过高，工作人员便手动开关大棚的风机、侧窗、天窗等。这种方式不仅耗费大量的人力成本，最为关键的是效率低下，生产风险高，一旦不能及时发现异常情况，往往会造成重大的损失。这种高度依赖人的传统管理方式，一直制约着温室大棚的转型发展。
农业温室智能监控系统如 Fig.5-1 所示。该系统的智能监控单元可以控制植物生长的基本生态环境参数，如光照、温度、湿度等，以适应不同植物的生长繁育需要。按照预设参数通过智能终端设备控制卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等环境控制设备，提供最佳生长环境。实现温室的无人值守自动化运行。降低人工成本、减少劳动强度，通过智能测算提高设备利用率，减少不必要的能源消耗，降低设备运行成本，实现温室大棚生产智能化、管理数据化、服务在线化的现代化经营模式。
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第 6 章 总结和展望
本文深入分析了目前国内外农业物联网身份认证策略的应用现状，论述了国内外现有农业物联网身份认证发展中存在的问题和不足，通过实际走访与农户深入交流以及实际使用，根据农业物联网用户面对的实际问题，根据需求设计解决方案。在身份认证策略的设计过程中查阅了大量相关研究资料，在张家口三生智慧农业科技有限公司的农业温室智能监控系统中加入了基于 ECC 算法的农业物联网双向身份认证策略 ECWL，改进了系统现有的安全口令认证方式。
设计实现了基于 ECC 算法的农业物联网双向身份认证策略研究与应用，并对现有的农业温室智能监控系统进行了改进和测试，经过最终测试系统满足了需求分析，设计符合预期目标。
ECWL 协议在满足农业物联网安全要求的情况下，消耗 246.4 Tmm实现身份认证和密钥协商。其中，用户和网关仅消耗约 95.6 Tmm，占总计算资源消耗的 38.8%，其余 61.2%的计算资源由云辅助服务器 CS 消耗。与表 4-4 中的其他协议相比，ECWL 协议中的用户和网关消耗的计算资源更少，并且具有更强的抵抗 DoS 攻击的能力。更多的计算资源保证了系统的稳定性和适应性。但发现使用云辅助服务器后 ECWL协议的通信资源消耗更高，说明 ECWL 协议的后续研究还有很大空间。
参考文献（略）