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基于PUF实现物联网设备的轻量级密钥共享协议

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湖南大学学报（自然科学版） 2022年第10期49卷 103-110页

作者：王振宇李少青郭阳曾健平国防科技大学计算机学院湖南长沙410000 湖南大学物理与微电子科学学院湖南长沙410082

物联网承载着大量敏感信息的安全传输与存储.由于物联网设备资源有限,通信开销大、传输速率慢且需存储敏感信息的安全原语(如公钥算法、数字签名等)不适用于轻量级设备的认证.本文利用硬件物理不可克隆函数(PUF)具备的防篡改防克隆特性... 详细信息

物联网承载着大量敏感信息的安全传输与存储.由于物联网设备资源有限,通信开销大、传输速率慢且需存储敏感信息的安全原语(如公钥算法、数字签名等)不适用于轻量级设备的认证.本文利用硬件物理不可克隆函数(PUF)具备的防篡改防克隆特性来生成共享密钥,结合MASK算法、Hash函数等安全原语,为物联网设备提出一种轻量级匿名密钥共享安全认证协议.通过Ban逻辑和形式化工具ProVerif进行安全分析验证,证明该协议能够防御中间人攻击、去同步攻击、假冒攻击、建模攻击等.通过对比其他协议,证明该协议具备计算成本低、通信开销和存储容量小以及安全性能高的优点,适合于资源受限设备的安全通信传输.

关键词：物理不可克隆函数轻量级密钥共享认证协议物联网

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一个切换认证的5G鉴权协议及其形式化分析

软件学报 2023年第8期34卷 3708-3725页

作者：刘逸冰周刚中国人民解放军信息工程大学数据与目标工程学院河南郑州450002

随着移动通信的发展,迎来了第5代移动通信技术(5G).5G认证与密钥协商(5G authentication and key agreement,5G-AKA)协议的提出主要是为了实现用户和服务网络的双向鉴权.然而,最近的研究认为其可能会遭受信息破译和消息重放攻击.同时,... 详细信息

随着移动通信的发展,迎来了第5代移动通信技术(5G).5G认证与密钥协商(5G authentication and key agreement,5G-AKA)协议的提出主要是为了实现用户和服务网络的双向鉴权.然而,最近的研究认为其可能会遭受信息破译和消息重放攻击.同时,发现当前5G-AKA的一些变种不能满足协议的无连接性.针对上述缺陷,提出一个改进方案:SM-AKA.SM-AKA由两个并行子协议组成,通过巧妙的模式切换使更加轻量的子协议(GUTI子模块)被频繁采用,而另一个子协议(SUPI子模块)则主要用于异常发生时的鉴权.依据这种机制,它不仅实现用户和归属网之间的高效认证,还能提升鉴权的稳定性.此外,变量的新鲜性也得到有效维持,可以防止消息的重放,而严格的加解密方式进一步提升协议的安全性.最后,对SM-AKA展开完整的评估,通过形式建模、攻击假定和Tamarin推导,证明该方案可以达到鉴权和隐私目标,而理论分析部分也论证了协议性能上的优势.

关键词： 5G鉴权认证协议形式化分析移动网络

基于雾计算的智能医疗三方认证与密钥协商协议

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软件学报 2023年第7期34卷 3272-3291页

作者：王菲菲汪定重庆邮电大学网络空间安全与信息法学院重庆400065 南开大学网络空间安全学院天津300350 天津市网络与数据安全技术重点实验室(南开大学) 天津300350

在智能医疗中,将云计算技术与物联网技术结合,可有效解决大规模医疗数据的实时访问问题.然而,数据上传到远程云服务器,将带来额外的通信开销与传输时延.借助雾计算技术,以终端设备作为雾节点,辅助云服务器在本地完成数据存储与访问,能... 详细信息

在智能医疗中,将云计算技术与物联网技术结合,可有效解决大规模医疗数据的实时访问问题.然而,数据上传到远程云服务器,将带来额外的通信开销与传输时延.借助雾计算技术,以终端设备作为雾节点,辅助云服务器在本地完成数据存储与访问,能够实现数据访问的低延迟与高移动性.如何保障基于雾计算的智能医疗环境的安全性成为近期研究热点.面向基于雾计算的智能医疗场景,设计认证协议的挑战在于:一方面,医疗数据是高度敏感的隐私数据,与病人身体健康密切相关,若用户身份泄漏或者数据遭到非法篡改将导致严重后果;另一方面,用户设备和雾节点往往资源受限,认证协议在保护用户隐私的同时,需要实现用户、雾节点、云服务器之间的三方数据安全传输.对智能医疗领域两个具有代表性的认证方案进行安全分析,指出Hajian等人的协议无法抵抗验证表丢失攻击、拒绝服务攻击、仿冒攻击、设备捕获攻击、会话密钥泄漏攻击;指出Wu等人的协议无法抵抗离线口令猜测攻击、仿冒攻击.提出一个基于雾计算的智能医疗三方认证与密钥协商协议,采用随机预言机模型下安全归约、BAN逻辑证明和启发式分析,证明所提方案能实现双向认证与会话密钥协商,并且对已知攻击是安全的;与同类方案的性能对比分析表明,所提方案显著提高了安全性,并具有较高的效率.

关键词：认证协议智能医疗雾计算密钥协商物联网

无线传感器网络下多因素身份认证协议的内部人员攻击

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软件学报 2019年第8期30卷 2375-2391页

作者：李文婷汪定王平北京大学软件与微电子学院北京102600 北京大学信息科学技术学院北京100871 软件工程国家工程研究中心(北京大学) 北京100871

无线传感器网络技术一经提出,迅速得到学术界、工业界的广泛关注,在国防军事、环境监测、智能家居、健康护理等领域发挥着重要作用.身份认证是保障无线传感器网络实时访问的关键安全技术.基于增强的攻击者模型,提出一种被长期忽略的内... 详细信息

无线传感器网络技术一经提出,迅速得到学术界、工业界的广泛关注,在国防军事、环境监测、智能家居、健康护理等领域发挥着重要作用.身份认证是保障无线传感器网络实时访问的关键安全技术.基于增强的攻击者模型,提出一种被长期忽略的内部攻击威胁,对无线传感器网络环境下的两个代表性认证协议进行了安全性分析.指出Mir等人的协议无法抵抗内部攻击和智能卡丢失攻击,且未实现前向安全性;指出Fang等人的协议同样无法实现所声称的前向安全性特性,且对内部攻击和智能卡丢失攻击是脆弱的.针对协议具体失误之处,提出相应的解决方案.总结了7类应对内部攻击的解决方案.指出了现有方法的不足,提出了合理的解决方案.

关键词：无线传感器网络认证协议内部攻击智能卡丢失攻击前向安全性

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基于区块链的智慧医疗认证协议研究

基于区块链的智慧医疗认证协议研究

作者：丁子轩杭州师范大学

学位级别：硕士

借助物联网、云计算等新兴技术,智慧医疗正逐步构建起以患者为中心的医疗信息管理和服务体系,实现医疗信息互联、协作共享、科学诊断等功能。区块链具有去中心化、不可篡改、共同维护等特性,与智慧医疗相结合可以提升医疗服务的信息化... 详细信息

借助物联网、云计算等新兴技术,智慧医疗正逐步构建起以患者为中心的医疗信息管理和服务体系,实现医疗信息互联、协作共享、科学诊断等功能。区块链具有去中心化、不可篡改、共同维护等特性,与智慧医疗相结合可以提升医疗服务的信息化水平。一方面,区块链实现了医疗数据的去中心化存储和共享,提高了数据的安全性和透明度。另一方面,区块链可以优化医疗资源的配置和利用,实现医疗服务的高效协作,提升服务质量和效率。然而,智慧医疗也面临着诸多威胁医疗系统安全和患者健康的风险和挑战。首先是针对医疗系统的各种攻击,其造成的后果主要是非法访问和隐私泄露。其次是参与者的恶意行为难以追溯和定责。此外,区块链的引入在提升服务质量的同时也增加了数据泄露风险。因此研究相应的解决策略来应对上述挑战对于智慧医疗的发展具有重大意义。本文为实现该目标做出了如下贡献:(1)为了解决传统医疗模式中医生与患者之间的通信范围受限于本地服务器和诸多安全问题,本文基于区块链提出了适用于远程医疗场景的跨集群认证和密钥协商协议。借助区块链的去中心化和共享性,该协议既可以满足处在同一集群(医院)的医生和患者的通信,也可以满足跨集群的认证和通信。此外,协议应用加密和动态匿名策略在公开信道和区块链上保护医生和患者的隐私。同时,协议将用户的真实身份加密在动态伪身份中,结合区块链的不可篡改性,协议实现恶意行为的可追溯。形式化和非形式化的安全性证明表明,协议可以抵抗已知的各种攻击。(2)如何实现患者便捷的跨院转移和相应的电子病历访问控制,同时不泄露隐私是智慧医疗中亟待解决的难题。本文设计了一个基于区块链的跨院移交认证和电子病历访问控制模型,并根据该模型提出了一种可行的协议。在所提出的协议中,区块链的共享性使患者无需重新注册即可完成高效且保护隐私的移交认证。此外,本文基于区块链设计了一种策略将包含病历的区块以隐藏的链式结构链接,称为病历链,用于检索患者之前的电子病历和认证记录。病历链中各区块在未获取患者的授权密钥的情况下是加密且不可链接的。患者的认证和病历同样使用动态匿名策略来保护隐私。基于随机预言机的安全性证明表明了协议的安全性。(3)在当地医疗条件受限的情况下,线上联合会诊可以缓解医疗资源分布不均的压力。如何建立安全的多方通信、保护病人隐私、让每个参与者对自己的行为负责,同时压缩验证成本是线上会诊面临的挑战。本文设计了基于区块链的多医生认证以及联合诊断聚合签名协议。在该协议中,医生们通过区块链相互认证并协商共同的会话密钥建立群组通信。在共同协商出对患者的诊断报告后,所有医生分别对报告签名并最终形成聚合签名。在上述流程中,患者的隐私是受保护的。本文对认证过程的语义安全性和签名的不可伪造性分别进行了形式化的证明。此外,拟真测试和对比分析也表明了签名在相关协议中的开销处在较低的水平。该协议促进了智慧医疗的安全协作和科学诊断。根据对现有相关文献的调查,智慧医疗的相关协议研究尚属起步阶段。目前在智慧医疗领域仍缺乏安全、具体、保护隐私的认证协议来实现跨域通信、移交认证、病历访问控制、联合会诊等目标。本文提出的协议对于提升智慧医疗的安全具有重要意义。

关键词：智慧医疗区块链认证协议移交认证访问控制签名聚合

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可监管的匿名身份认证协议研究

可监管的匿名身份认证协议研究

作者：李昊杭州电子科技大学

学位级别：硕士

现已广泛使用的身份认证协议实现了用户在互联网通信中对身份可靠性的需求,允许服务请求方合理地访问服务提供方的Internet服务,为互联网的安全、有序和平稳发展提供了不可磨灭的作用。但是,用户在使用当前的身份认证协议时,真实的身份... 详细信息

现已广泛使用的身份认证协议实现了用户在互联网通信中对身份可靠性的需求,允许服务请求方合理地访问服务提供方的Internet服务,为互联网的安全、有序和平稳发展提供了不可磨灭的作用。但是,用户在使用当前的身份认证协议时,真实的身份信息仍暴露给服务提供商和信道中的攻击者,也就是说,这些协议尚未妥善处理用户身份隐私泄露的问题。尽管已有许多学者提出了多种匿名身份认证协议来保护用户的真实身份信息,但仍存在身份匿名化不彻底、缺乏监管、监管滞后、监管开销过大、以及监管不公平、不充分等方面的问题。因此,本文对上述问题进行了分析,提出了两种可监管的匿名身份认证协议,其主要研究成果如下:（1）针对现有匿名身份认证协议存在的用户隐私泄露、缺乏监管、监管滞后和监管开销过大的问题,提出了一种面向双重监管的匿名身份认证协议,确保用户匿名访问互联网服务的同时,监管方能够有效地监管恶意的匿名用户。具体地,协议首先借助隐式认证思想,让用户使用一次性的匿名身份与他人完成身份认证,从而保证其个人信息的隐私性;其次,协议引入一个第三方监管机构对系统内的恶意行为进行事后监管;再者,为了缓解事后监管带来的滞后性,为用户设计了动态信誉机制,并将其嵌入到认证过程,起到事前间接监管的作用;最后,本文在安全性和性能两方面与现有的具有代表性的匿名身份认证协议进行了分析和比较,结果表明,在较低的认证时间开销情况下,本文所提出的面向双重监管的匿名身份认证协议不仅具有较强的用户隐私性和系统安全性,还将单方事后监管时的计算开销降低了50.0%以上,另外,本协议增加了8.4%的认证时通信开销以避免系统遭受用户行为模仿攻击。（2）针对面向双重监管的匿名身份认证协议中单一监管方以权谋私而引起的监管不公平、不充分的问题,本文提出了一种面向联合监管的匿名身份认证协议,实现了监管过程的公开、公正和透明。首先,该协议在完成用户匿名身份认证的同时,使用两种门限秘密共享算法来联合多个监管权威和多个普通民众,共同对系统内的恶意行为发起监管;其次,使用区块链记录整个监管的具体流程,保证了监管过程的公开可追溯,同时约束了监管参与者,使监管过程更加公正、公平;最后,本文对该协议的联合监管过程进行了安全性分析与实验仿真,结果显示该面向联合监管的匿名身份认证协议在具有较强的系统安全性和良好的计算开销的同时,未引入额外的匿名认证开销,且将系统事后监管时的经济成本降低了10.0%以上。

关键词：认证协议隐私保护匿名身份监管区块链

一种基于机密计算的联邦学习节点轻量级身份认证协议

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信息网络安全 2022年第7期 37-45页

作者：刘忻李韵宜王淼兰州大学信息科学与工程学院兰州730000

联邦学习框架在保护用户隐私数据安全的同时,满足模型对海量训练数据的需求,被广泛应用于车联网、智慧医疗、金融等领域。然而,参与联邦学习框架的客户端身份复杂,客户端与中央服务器在开放的信道上传递模型参数,给联邦学习框架带来了... 详细信息

联邦学习框架在保护用户隐私数据安全的同时,满足模型对海量训练数据的需求,被广泛应用于车联网、智慧医疗、金融等领域。然而,参与联邦学习框架的客户端身份复杂,客户端与中央服务器在开放的信道上传递模型参数,给联邦学习框架带来了安全隐患。因此,如何高效准确地识别各参与节点的身份合法性对联邦学习框架十分重要。文章首先结合联邦学习实际需求提出一种基于机密计算的联邦学习节点轻量级身份认证协议,实现了客户端在线注册及数字签名功能。然后在服务器端采用SGX机密计算环境对密钥等关键参数进行保护。最后,文章通过AVISPA仿真工具和非形式化证明方法证明了协议的安全性,并将该协议与近年提出的其他身份认证协议在计算开销、通信开销和存储开销方面进行对比分析,结果表明,该协议具有更好的实用性与先进性。

关键词：联邦学习机密计算认证协议轻量级

基于微服务的企业信息化重构平台的设计与实现

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基于微服务的企业信息化重构平台的设计与实现

作者：何耀贵州大学

学位级别：硕士

通过信息技术提高企业管理能力和生产方式越来越受到各企业的重视。目前,大多数企业已开始自身信息化建设,但大部分企业的信息化基础仍然薄弱,其各信息系统间独立存在,没有实现集中管理、统一入口,使用时没有整体性。这也导致了信息系... 详细信息

通过信息技术提高企业管理能力和生产方式越来越受到各企业的重视。目前,大多数企业已开始自身信息化建设,但大部分企业的信息化基础仍然薄弱,其各信息系统间独立存在,没有实现集中管理、统一入口,使用时没有整体性。这也导致了信息系统出现组织架构混乱、消息收发复杂、应用管理分散、技术支持混乱、数据重复存储以及重复再造模块等问题,因此,迫切地需要对企业的信息化进行重构。为了解决上述问题并提高企业信息系统的安全性,实现企业信息化,本文提出并实现了基于微服务架构的重构平台,主要工作如下:(1)企业信息化需求调研。对某国有企业信息化建设工作的建设成果、建设条件以及建设背景进行实地调研,了解企业信息化重构过程中工作的重点和难点,划分四个核心模块,确定多个基础服务,得出业务需求和功能需求用例。(2)企业信息化重构平台架构和各功能模块设计与实现。结合当前相似企业信息化建设程度以及具有的建设条件,并充分考虑平台的扩展性、性能和安全性需求,设计多个基础服务提供和应用集成的流程与接口。平台采用微服务的分布式架构,将各功能模块按照业务进行服务划分,利用Spring Cloud进行服务的管理。平台采用前后端分离的模式,前端由Vue.js实现,后端由Spring Boot和Spring Cloud实现。(3)设计一套安全高效的身份认证协议。针对认证过程安全性低、易受非法攻击等问题,使用ECC算法和Hash函数对用户ID、密码、生物特征等身份信息进行加密,并引入数字签名和时间戳来保障身份认证的准确性与时效性。并将本文设计的协议成功集成到微服务重构平台中,测试结果表明该协议能够提升企业信息系统与数据使用的安全性,降低安全认证成本。该微服务重构平台成功部署于某国有企业,并通过了用户功能测试,在安全性、易用性及性能等方面也满足企业要求。

关键词：企业信息化重构微服务 Spring Cloud 认证协议 ECC算法

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车联网环境下的认证协议研究

车联网环境下的认证协议研究

作者：吴安穆霖华中师范大学

学位级别：硕士

随着自动驾驶技术的蓬勃发展,车辆、道路和基础设施间的全面网络互联要求不断提升。为满足自动驾驶乃至无人驾驶的功能需求,车联网技术应运而生。作为智能交通领域的核心应用,车联网技术为智能交通服务的效率提升提供了技术支持。然而,... 详细信息

随着自动驾驶技术的蓬勃发展,车辆、道路和基础设施间的全面网络互联要求不断提升。为满足自动驾驶乃至无人驾驶的功能需求,车联网技术应运而生。作为智能交通领域的核心应用,车联网技术为智能交通服务的效率提升提供了技术支持。然而,车联网设备会产生大量机密的数据,如果这些数据存储在不可信任的环境下,系统将面临严峻的安全和隐私问题。安全可靠的数据存储和传输是保证系统服务达到最佳的关键。另外,在车联网应用程序中,产生的数据量呈高速状态增长,随之而来的时延代价也不容小觑。因此,安全高效的认证协议有助于保障车辆数据隐私和通信安全。不过,目前应用于车联网环境的轻量级认证与访问控制方案较为少见,且现有的方案仍存在诸多挑战。首先,车联网设备通常部署在公共场所,数据在不可信的环境下传输易受到各种攻击,关键车辆数据若遭到篡改,甚至会导致严重的交通事故。其次,由于车联网设备是资源受限的,为这些设备设计的访问控制和认证方案应该是轻量级的,认证协议应在保证安全性的同时兼顾通信的低延迟。最后,能够对庞大的车联网供应链进行安全访问和产品溯源是确保车联网环境安全的重要基础。如果车联网设备供应环节出现问题,则将导致问题设备进入网络,设备间的相互安全认证将难以实现。为此,本文针对车联网环境提出了两种认证协议,并与现有技术的安全性和性能进行对比分析,旨在保证数据隐私性的同时减少时延代价和成本。本文的主要贡献如下:(1)为解决车联网设备间通信存在的成本开销过大和隐私保护问题,我们提出了一种基于区块链技术和移动边缘计算技术的认证协议。得益于区块链的去中心化和加密特性,使得数据被打包成区块的形式存储在分布式共享账本中,其确保了数据的机密性和完整性。移动边缘计算将云计算的功能扩展到网络边缘,是减少车联网应用计算和通信开销的有效解决方案。通过非形式化的安全分析表明该协议可以抵御消息重放攻击、消息替换攻击、中间人攻击等多种攻击。与现有其他方案相比,该协议具有去中心化、轻量级的特点,满足预期的高效安全且对时延敏感的要求,适用于车联网环境。(2)为实现车联网供应链的安全访问,本文针对车联网环境设计了一种高效安全的供应链认证机制。该机制通过使用模糊提取器保障用户登录安全,同时运用密码哈希函数和按位异或操作相结合的方式来保证访问安全。另外,由于现有技术的集中化易于导致单点故障问题,我们结合了区块链技术来存储数据,使得信息不可被伪造和篡改。并集成了5G技术以满足供应链实时传输数据所需要的带宽,实现了数据的快速更新存储,缩减了其管理成本。使用Real-Or-Random(ROR)安全模型进行形式化安全证明,结果表明提出的协议是可证明安全的。并从密钥前向/后向保密性、匿名性等方面对所提方案进行验证,证明其能够满足车联网供应链所需安全要求,并可有效抵抗多种已知攻击。与现有先进的用于供应链的认证机制进行比较,结果表明,该认证方案不仅安全有效,同时大大减少了通信和计算成本,适用于数据量庞大的车联网供应链。

关键词：车联网区块链移动边缘计算认证协议供应链