The Internet of Drones (IoD) is an emerging and crucial paradigm enabling advanced applications that require seamless, secure communication across heterogeneous and untrusted domains. In such environments, access control and the transmission of sensitive data pose significant security challenges for IoD systems, necessitating the design of lightweight mutual authentication and key exchange protocols. Existing solutions are often hampered by high computation overhead, reliance on third parties, the requirement for secret storage in resource-constrained drones, and the need for a strictly controlled enrollment environment. These limitations make them impractical for dynamic cross-domain deployment. To address these limitations, we propose a lightweight mutual authentication mechanism that integrates Radio Frequency Fingerprint (RFF) and Physical Unclonable Function (PUF) technologies for secure drone-to-drone (D2D) and drone-to-ground station server (D2G) communication. RFF-based device identification is used to achieve over-the-air (OTA) enrollment, while the PUF serves as the root of trust for establishing mutual authentication among communication parties. Additionally, the on-the-fly key generation capability of the PUF is co-designed with One-Time-Pad (OTP) encryption to realize ephemeral keying and eliminate the need for storing secrets within drones. Both informal security analysis and ProVerif-based formal security verification comprehensively demonstrate the resilience of our protocol against common security attacks. The proposed protocol also outperforms existing IoD authentication schemes in terms of security features, as well as computation, communication, and storage overhead.


翻译:无人机物联网(IoD)作为一种新兴且关键的技术范式,能够支持需要跨异构、非可信域实现无缝安全通信的先进应用。在此类环境中,访问控制与敏感数据传输对IoD系统提出了严峻的安全挑战,亟需设计轻量级的双向认证与密钥交换协议。现有方案常受限于高计算开销、对第三方的依赖、资源受限无人机需秘密存储的要求,以及严格受控注册环境的需求。这些局限性使其难以适用于动态跨域部署场景。为应对这些挑战,本文提出一种轻量级双向认证机制,该机制融合射频指纹(RFF)与物理不可克隆功能(PUF)技术,以保障无人机间(D2D)及无人机与地面站服务器间(D2G)通信的安全。基于RFF的设备识别用于实现空中(OTA)注册,而PUF则作为通信各方建立双向认证的信任根。此外,PUF的实时密钥生成能力与一次性密码本(OTP)加密技术协同设计,实现了临时密钥生成,从而无需在无人机内部存储秘密信息。非形式化安全分析与基于ProVerif的形式化安全验证均全面证明了本协议对常见安全攻击的抵御能力。所提协议在安全特性以及计算、通信与存储开销方面均优于现有的IoD认证方案。

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