一種適用于基于身份的認(rèn)證密鑰協(xié)商的逆向防火墻協(xié)議

劉 暢，王 晉，田 里，王 捷，葉凈宇，秦 帆，周雨陽(yáng)

(1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中心, 武漢 430077；2. 數(shù)字廣西集團(tuán)政企事業(yè)部, 南寧 530219；3．重慶大學(xué) 大數(shù)據(jù)與軟件學(xué)院，重慶，400044；4. 電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 成都 611731)

密鑰協(xié)商是在不安全信道上建立會(huì)話(huà)密鑰的一種重要方式。Diffie和Hellman[1]基于離散對(duì)數(shù)困難問(wèn)題，為密鑰分發(fā)系統(tǒng)(PKDS, public key distribution system)設(shè)計(jì)了兩方密鑰協(xié)商協(xié)議(DH協(xié)議)。該協(xié)議在公網(wǎng)上提供了會(huì)話(huà)密鑰服務(wù)，防止來(lái)自被動(dòng)攻擊者的消息泄露，但不能抵抗來(lái)自主動(dòng)攻擊者的擾亂、刪除消息等行為：如中間人攻擊(MITM,man-in-the-middle)。為了抵抗中間人攻擊，Matsumoto等[2]基于DH協(xié)議設(shè)計(jì)了3個(gè)密鑰協(xié)商協(xié)議：MTI/A0，MTU/B0，MTI/C0。這些協(xié)議能夠?yàn)橥ㄐ烹p方建立雙方的認(rèn)證會(huì)話(huà)密鑰，且不利用簽名就能抵抗主動(dòng)攻擊。然而，如果一個(gè)長(zhǎng)期密鑰泄露，攻擊者就能計(jì)算出兩方的會(huì)話(huà)密鑰。Kunz-Jacques和Pointcheval[3]提出了2個(gè)新的概念：認(rèn)證密鑰協(xié)商(AKA, authenticated key agreement)和帶密鑰確認(rèn)的認(rèn)證密鑰協(xié)商(AKAC, AKA with key confirmation)。AKA保證只有特定的參與者能夠計(jì)算出該次會(huì)話(huà)密鑰。AKAC在AKA的基礎(chǔ)上，確認(rèn)了通信實(shí)體都獲得該次會(huì)話(huà)密鑰。Law等[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)兩方的AKA協(xié)議(MQV協(xié)議)，同時(shí)利用消息認(rèn)證碼(MAC, message authentication code)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)三方的AKAC協(xié)議。該協(xié)議實(shí)現(xiàn)了已知密鑰安全、前向安全、密鑰控制。Krawczyk[5]指出這些協(xié)議在CK模型[6]下是不安全的，并且在MQV協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了HMQV協(xié)議。為了增強(qiáng)安全模型中攻擊者的能力，LaMacchina等[7]在CK模型的基礎(chǔ)上提出了eCK模型，允許敵手對(duì)臨時(shí)私鑰進(jìn)行詢(xún)問(wèn)。目前，eCK模型成為了AKA協(xié)議的主流安全證明模型。Yao和Zhao[8]結(jié)合了KEA[9]和HMQV，設(shè)計(jì)了一個(gè)“最優(yōu)”的AKA協(xié)議。KEA是由NSA設(shè)計(jì)的一個(gè)AKA協(xié)議，能保證最優(yōu)的在線(xiàn)效率，但不能在eCK模型中被證明安全。以上這些協(xié)議都是基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 (PKI, public key infrastructure)。在PKI中，為了抵抗公鑰替換攻擊，采用稱(chēng)為證書(shū)權(quán)威(CA, certificate authority)的可信機(jī)構(gòu)來(lái)頒發(fā)數(shù)字證書(shū)，用于綁定用戶(hù)身份和公鑰。因此，PKI不可避免帶來(lái)了證書(shū)管理的問(wèn)題，如證書(shū)頒發(fā)、存儲(chǔ)、驗(yàn)證、回收等。

為了解決PKI中的證書(shū)管理問(wèn)題，Shamir[10]提出了基于身份的密碼學(xué)(IBC, identity-based cryptography)。2002年，受Boneh和Franklin基于身份加密(identity-based encryption, IBE)[11]和Joux的三方DH協(xié)議[12]的啟發(fā)，Smart提出了一個(gè)基于身份的密鑰協(xié)商(identity-based authenticated key agreement, ID-AKA)協(xié)議。該協(xié)議基于Weil雙線(xiàn)性對(duì)，消除了證書(shū)管理的問(wèn)題，但由于用戶(hù)私鑰都由一個(gè)可信的私鑰生成器(PKG, private key generator)生成，帶來(lái)密鑰托管問(wèn)題，影響會(huì)話(huà)密鑰的前向安全性。這意味著如果PKG被妥協(xié)了，敵手將能計(jì)算出之前的會(huì)話(huà)密鑰。Chen和Kudla[13-14]利用PKG只能獲知長(zhǎng)期密鑰而非臨時(shí)密鑰實(shí)現(xiàn)會(huì)話(huà)密鑰的前向安全性。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于身份的密鑰協(xié)商確認(rèn)(ID-AKAC, ID-AKA with key confirmation)協(xié)議，主要思想是在用戶(hù)身份信息上加上MAC值。之后，一系列ID-AKA協(xié)議[15-17]被提出，這些協(xié)議的安全性證明都沒(méi)基于eCK模型。最近，Daniel等[18]提出了一個(gè)適用于eCK模型的無(wú)雙線(xiàn)性對(duì)的ID-AKA協(xié)議，能夠抵抗公鑰替換攻擊和已知臨時(shí)會(huì)話(huà)秘密值泄露攻擊(KSTIA， known session-specific temporary attack)。通過(guò)以上分析，發(fā)現(xiàn)這些密鑰協(xié)商協(xié)議都是在經(jīng)典安全模型下被證明安全的。攻擊者能夠通過(guò)設(shè)置一些不被發(fā)現(xiàn)的后門(mén)程序來(lái)擾亂這些算法的執(zhí)行，從而導(dǎo)致用戶(hù)秘密信息的泄露。

2014年，Bellare等[19]研究算法替換攻擊(ASA, algorithm substitution attack)，證明了一個(gè)攻擊者能夠通過(guò)替換對(duì)稱(chēng)加密方案來(lái)監(jiān)視用戶(hù)，得出了ASA能在任何隨機(jī)或者無(wú)狀態(tài)的加密方案中發(fā)生。ASA的研究為密碼學(xué)提出了一個(gè)新問(wèn)題：在敵手秘密干擾下，如何保證密碼方案的安全性？(這個(gè)方向也叫做后斯諾登密碼學(xué)[20])。為了回答這個(gè)問(wèn)題，Mironov等[21]在2015年的歐密會(huì)上提出了逆向防火墻(RF, reverse firewall)的概念。RF處在用戶(hù)計(jì)算機(jī)和外界網(wǎng)絡(luò)之間，能夠修改用戶(hù)收到或者發(fā)送的消息。即使用戶(hù)計(jì)算機(jī)被妥協(xié)了，攻擊者也無(wú)法辨認(rèn)所接收的消息是否為真。RF可以取得以下3個(gè)性質(zhì): 1)維持功能性，即如果用戶(hù)的計(jì)算機(jī)正確工作，RF不會(huì)破壞密碼算法的功能; 2)保持安全性，即無(wú)論用戶(hù)的計(jì)算機(jī)如何被敵手?jǐn)噥y，RF的使用將保持與正確執(zhí)行密碼算法一樣的安全性; 3)抗泄露性，即無(wú)論用戶(hù)的計(jì)算機(jī)如何被攪亂運(yùn)行，逆向防火墻將將阻止計(jì)算機(jī)向外泄露秘密信息。同年，Ateniese等[22]探討了RF在數(shù)字簽名上的應(yīng)用，得出了任何隨機(jī)化的數(shù)字簽證都難抵抗ASA。在2016年的美密會(huì)上，Dodis等[23]利用RF，在被妥協(xié)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)了安全消息傳輸。在2016年的亞密會(huì)上，Chen等[24]利用可延展平滑映射哈希函數(shù)，給出了用于安全消息傳輸協(xié)議、不經(jīng)意的基于簽名的信封和不經(jīng)意傳輸協(xié)議的RF方案。2018年，Ma等[25]設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于在線(xiàn)/離線(xiàn)的基于屬性加密(ABE， Attribute-based encryption)的RF方案。方案中含有3個(gè)RF，分別部署于發(fā)送者、接收者和PKG。2019年，Hong等[26]設(shè)計(jì)了一個(gè)可以在ABE中實(shí)現(xiàn)屬性分發(fā)的RF方案。Zhou等[27]設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于IBE的RF方案，其中一個(gè)實(shí)現(xiàn)了選擇明文攻擊安全性，另一個(gè)在適應(yīng)性選擇密文攻擊下達(dá)到了半語(yǔ)義安全性。最近，Zhou等[28]為無(wú)證書(shū)加密和無(wú)證書(shū)簽名設(shè)計(jì)了RF方案。

目前，認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議中抗后門(mén)攻擊的方案存在抗攻擊能力弱、性能不高等缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)RF的研究和分析，提出了能否使用RF來(lái)提高兩方認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議中信息抗泄露問(wèn)題。將RF與兩方密鑰協(xié)商相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種無(wú)需雙線(xiàn)性對(duì)的基于身份認(rèn)證密鑰協(xié)商的逆向防火墻( ID-AKA-RF, reverse firewall for ID-AKA)協(xié)議。

1 預(yù)備知識(shí)

定義1橢圓曲線(xiàn)上的離散對(duì)數(shù)問(wèn)題(ECDLP, discrete logarithm problem on elliptic curve)：已知橢圓曲線(xiàn)上的點(diǎn)P，給定(P,mP) 求整數(shù)m∈q。這個(gè)問(wèn)題稱(chēng)為橢圓曲線(xiàn)上的離散對(duì)數(shù)問(wèn)題。當(dāng)點(diǎn)有大素?cái)?shù)階時(shí)，求解ECDLP被認(rèn)為是計(jì)算困難的。

定義2逆向防火墻：假設(shè)是W是一個(gè)RF，P=(receive, next, output) 是一個(gè)組。如果以下等式滿(mǎn)足，則W是一個(gè)為P設(shè)置的RF。其中，σ是初始公共參數(shù)，m是傳輸?shù)南ⅰ?/p>

W°P:=(receiveW°P(σ,m)=receiveP(σ,W(m)),

nextW°P(σ)=W(nextP(σ)),

outputW°P(σ)=W(outputP(σ)).

一個(gè)合格的RF滿(mǎn)足以下3個(gè)性質(zhì)：1)維持功能性; 2)保持安全性; 3)抗泄露性。

定義3維持功能性：假設(shè)是W是一個(gè)RF，P是一個(gè)組，S是一個(gè)協(xié)議，F(xiàn)是一個(gè)函數(shù)。Wk°P表示在S中有限個(gè)k≥1里，對(duì)于P維持F。當(dāng)P，S和F被清空，就說(shuō)W維持了原協(xié)議的功能。同時(shí)，Wk°P=W°(Wk-1°P)表示RF能夠堆砌。

定義4保持安全性：假設(shè)是W是一個(gè)RF，P是一個(gè)組，S是一個(gè)協(xié)議，F(xiàn)是一個(gè)函數(shù)，A表示安全性要求。如果SP?W°P*也滿(mǎn)足A，就說(shuō)對(duì)于S中的P能夠抵抗攻擊F的敵手，則W維持了原協(xié)議的安全要求性。其中SP?W°P*表示用W°P*代替P，P*是抵抗功能維護(hù)性的實(shí)現(xiàn)組。當(dāng)P、S、F和A被清空，就說(shuō)W維持了原協(xié)議的弱安全性。

定義5抗泄露性：假設(shè)是W是一個(gè)RF，P是一個(gè)組，S是一個(gè)協(xié)議，F(xiàn)是一個(gè)函數(shù)，A表示安全性要求。如果不存在敵手能夠攻破信息泄露LEAK(S,P1,P2,W,λ)游戲，那么W對(duì)于P1而言提供了弱抗泄露性。其中，λ表示安全性參數(shù)，P1是P2的一個(gè)抗攻擊F的敵手。

2 系統(tǒng)模型

抗泄露認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議包括一個(gè)注冊(cè)服務(wù)器(RS)，一個(gè)注冊(cè)服務(wù)器的逆向防火墻(WRS)，一個(gè)用戶(hù)Alice，另一個(gè)用戶(hù)Bob和他的逆向防火墻(WB)，系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

整個(gè)方案由系統(tǒng)建立、隨機(jī)化系統(tǒng)參數(shù)、密鑰生成、重隨機(jī)化用戶(hù)密鑰、身份認(rèn)證與密鑰協(xié)商5部分組成，具體算法描述如下：

1)系統(tǒng)建立(Setup)：該算法由注冊(cè)服務(wù)器根據(jù)輸入的安全參數(shù)k，運(yùn)行產(chǎn)生系統(tǒng)所需的公共參數(shù)par和系統(tǒng)主密鑰s。

2)隨機(jī)化系統(tǒng)參數(shù)(WRS.Setup)：WRS對(duì)系統(tǒng)參數(shù)par進(jìn)行隨機(jī)化處理，生成新的系統(tǒng)參數(shù)par′。

3)密鑰生成(KeyGen)：用戶(hù)Alice和Bob分別將自己的身份信息IDA和IDB提交給注冊(cè)服務(wù)器。注冊(cè)服務(wù)器根據(jù)輸入的身份信息IDA、IDB和系統(tǒng)主密鑰s，分別生成Alice和Bob的用戶(hù)私鑰SA和SB。

此處的用戶(hù)私鑰需要通過(guò)安全信道回傳, 安全信道的實(shí)現(xiàn)有離線(xiàn)和在線(xiàn)2種方法.

①離線(xiàn)方式：注冊(cè)服務(wù)器將用戶(hù)私鑰和公共參數(shù)輸入到智能卡中，并將智能卡安全的交到注冊(cè)用戶(hù)手中。

②在線(xiàn)方式：注冊(cè)服務(wù)器通過(guò)安全的傳輸層安全(TLS)回傳用戶(hù)私鑰和公共參數(shù)給注冊(cè)用戶(hù)。

3 安全模型

一個(gè)認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議的安全目標(biāo)主要包括已知會(huì)話(huà)密鑰安全性、前向安全性、PKG前向安全性、抗密鑰泄露偽裝和已知會(huì)話(huà)相關(guān)臨時(shí)秘密信息安全性等。eCK模型[7]是目前安全性表達(dá)能力最強(qiáng)的安全模型，明確表達(dá)了密鑰協(xié)商協(xié)議中最大可能損害安全的秘密泄露情況，也覆蓋了最多的安全屬性?；趀CK模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)逆向防火墻環(huán)境下的密鑰協(xié)商安全性游戲：關(guān)于挑戰(zhàn)者C和敵手A之間的游戲，如圖2所示。具體步驟如下：

圖2 挑戰(zhàn)者C和敵手A之間的游戲Fig. 2 The game between challenger C and adversary A

1)系統(tǒng)建立階段: 挑戰(zhàn)者C輸入安全參數(shù)k, 運(yùn)行系統(tǒng)建立算法，生成系統(tǒng)公共參數(shù)par和系統(tǒng)主密鑰s，并將公共參數(shù)par發(fā)送給敵手A, 保存系統(tǒng)主密鑰s。

2)詢(xún)問(wèn)階段：敵手A在此階段可以進(jìn)行以下多項(xiàng)式有界次數(shù)的詢(xún)問(wèn)。

①M(fèi)asterKeyReveal(k)：敵手A獲得系統(tǒng)在安全參數(shù)k下的主密鑰。

②Corrupt(i)：敵手A獲得IDi的經(jīng)過(guò)逆向防火墻重新隨機(jī)化后的長(zhǎng)期私鑰。

5)猜測(cè)階段：敵手A輸出一比特?cái)?shù)據(jù)b′。如果b′=b，則A贏得游戲。

定義A贏得游戲的概率為AdvAKAA=|Pr[b′=b]-1/2|，其中Pr[b′=b]表示b′=b的概率。

4 協(xié)議構(gòu)造

協(xié)議設(shè)計(jì)基于Kumar和Saxena的認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議[22], 分為系統(tǒng)建立、隨機(jī)化系統(tǒng)參數(shù)、密鑰生成、重隨機(jī)化用戶(hù)密鑰、身份認(rèn)證與密鑰協(xié)商5個(gè)部分。

4.1 系統(tǒng)建立(Setup)

注冊(cè)服務(wù)器首先根據(jù)給定的安全參數(shù)k，選擇一個(gè)q(q≥2k的素?cái)?shù))階循環(huán)加法群G1，P為G1的生成元，然后注冊(cè)服務(wù)器按照如下步驟進(jìn)行操作：

3)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)par=(q,G1,P,Ppub,H1,H2)，發(fā)送par給自己的防火墻WRS，且保密系統(tǒng)主密鑰s。

4.2 隨機(jī)化系統(tǒng)參數(shù)(WRS.Setup)

4.3 密鑰生成(KeyGen)

用戶(hù)提交自己身份信息給注冊(cè)服務(wù)器，注冊(cè)服務(wù)器生成相應(yīng)的用戶(hù)私鑰。注冊(cè)服務(wù)器收到Alice的身份信息IDA，Bob的身份信息IDB后，開(kāi)始進(jìn)行如下操作：

4.4 重隨機(jī)化用戶(hù)密鑰(WRS.KeyGen)

注冊(cè)服務(wù)器的防火墻WRS可以總結(jié)為圖3。

圖3 注冊(cè)服務(wù)器的逆向防火墻Fig. 3 Reverse firewall for registration server

4.5 身份認(rèn)證與密鑰協(xié)商(KeyAgreement)

通過(guò)雙方計(jì)算生成的會(huì)話(huà)令牌完成用戶(hù)身份認(rèn)證，生成相同的會(huì)話(huà)密鑰。圖4描述了該部分的過(guò)程，以下將介紹具體的協(xié)議過(guò)程。

圖4 Bob的逆向防火墻Fig.4 Reverse firewall for Bob

Alice的會(huì)話(huà)令牌：

Bob的會(huì)話(huà)令牌：

如果hA=hB，則KA=KB=K為會(huì)話(huà)密鑰，用戶(hù)認(rèn)證與密鑰協(xié)商結(jié)束。

對(duì)于WRS的功能，它保證了注冊(cè)服務(wù)器被妥協(xié)后用戶(hù)私鑰SA和SB的機(jī)密性。在文獻(xiàn)[22]協(xié)議中，當(dāng)主密鑰s泄露后，敵手能夠獲得用戶(hù)私鑰。但在協(xié)議中，隨機(jī)化系統(tǒng)參數(shù)(WRS.Setup)利用隨機(jī)數(shù)α隨機(jī)化了主密鑰，阻止了敵手獲取用戶(hù)私鑰。同樣，協(xié)議重隨機(jī)化了用戶(hù)長(zhǎng)期私鑰(WRS.KeyGen)，抵抗了用戶(hù)長(zhǎng)期密鑰泄露攻擊。

5 安全性證明與性能分析

5.1 安全性證明

定理1在隨機(jī)預(yù)言模型中, 如果Kumar和Saxena的ID-AKA協(xié)議[29]滿(mǎn)足認(rèn)證密鑰安全性，則ID-AKA-RF協(xié)議能夠1)維持功能性; 2)保持安全性; 3)提供抗泄露性。

證明: 以下為3個(gè)功能的敘述。

1)維持功能性: 對(duì)于Alice，計(jì)算

αSAaH1(IDB‖RB)βTB=

αsrAQAaH1(IDB‖RB)βbRB=

αβabsrArBQAQBP,

對(duì)于Bob，計(jì)算

αSBbH1(IDA‖RA)βTA=

αsrBQBbH1(IDA‖RA)βaRA=

αβabsrArBQAQBP,

因?yàn)镵A=KB，所以會(huì)話(huà)密鑰

hA=H2(IDA‖IDB‖KA)=hB=H2(IDA‖IDB‖KB)。

2)保持安全性: 通過(guò)被篡改的算法Setup*、KeyGen*、KeyAgreement*來(lái)證明協(xié)議和Kumar和Saxena的ID-AKA協(xié)議[29]的密鑰協(xié)商安全性具有不可區(qū)分性。

首先，證明ID-AKA-RF密鑰協(xié)商安全性的游戲已經(jīng)被介紹，同時(shí)文獻(xiàn)[29]中也介紹了ID-AKA密鑰協(xié)商安全性的標(biāo)準(zhǔn)安全游戲。接下來(lái)，考慮以下游戲:

①游戲0：和介紹的游戲一樣。

②游戲1：和游戲0一樣，除了系統(tǒng)公共參數(shù)Ppub是由標(biāo)準(zhǔn)安全游戲中的Setup產(chǎn)生，而不是詢(xún)問(wèn)階段和二次詢(xún)問(wèn)階段中的Setup*和WRS. Setup產(chǎn)生。

③游戲2：和游戲1一樣，除了用戶(hù)長(zhǎng)期私鑰Si,i∈{D,C}是由標(biāo)準(zhǔn)安全游戲中的KeyGen產(chǎn)生，而不是詢(xún)問(wèn)階段和二次詢(xún)問(wèn)階段中的KeyGen*和WRS. KeyGen產(chǎn)生。

④游戲3：和游戲2一樣，除了會(huì)話(huà)令牌Ti,i∈{A,B}是由標(biāo)準(zhǔn)安全游戲中的KeyAgreement產(chǎn)生，而不是詢(xún)問(wèn)階段和二次詢(xún)問(wèn)階段中的KeyAgreement*和WB. KeyAgreement產(chǎn)生。此時(shí)，游戲3是Kumar和Saxena中的ID-AKA標(biāo)準(zhǔn)安全游戲[29]。

接著，證明游戲0和游戲1、游戲1和游戲2、游戲2和游戲3的不可區(qū)分性。

③游戲2和游戲3的不可區(qū)分性：假設(shè)存在一個(gè)被篡改的算法KeyAgreement*生成會(huì)話(huà)令牌Ti，系統(tǒng)利用算法WB.KeyAgreement產(chǎn)生了一個(gè)更新后的會(huì)話(huà)令牌Ti′。Ti′對(duì)于算法KeyAgreement來(lái)說(shuō)是一個(gè)一致的隨機(jī)數(shù)，因?yàn)樵璉D-AKA協(xié)議是可重隨機(jī)化的，所以Ti′可以看作由是算法KeyAgreement而不是KeyAgreement *生成的。因此，游戲2和游戲3是不可區(qū)分的。

因?yàn)镵umar和Saxena的ID-AKA協(xié)議[29]具有密鑰協(xié)商安全性，所以ID-AKA-RF協(xié)議也具有密鑰協(xié)商安全性。

3)提供抗泄露性: 游戲0和游戲3之間的不可區(qū)分性意味著對(duì)于注冊(cè)服務(wù)器和Bob逆向防火墻能夠提供消息抗泄露性。

注釋1在Kumar和Saxena中的ID-AKA協(xié)議的安全模型[29]中，被妥協(xié)的PKG不能對(duì)會(huì)話(huà)的臨時(shí)私鑰進(jìn)行詢(xún)問(wèn)。例如，當(dāng)一次會(huì)話(huà)進(jìn)行，敵手獲得了一次會(huì)話(huà)的臨時(shí)私鑰a和b。如果被妥協(xié)的PKG泄露了用戶(hù)長(zhǎng)期私鑰的秘密值rA和rB，敵手可以通過(guò)以下等式計(jì)算出會(huì)話(huà)密鑰

K=SAaH1(IDB‖RB)TB=

SAaQBbRB=

rArBsabQAQBP=

rArBabQAQBPpub。

αSAabQBβrBP=

αbrArBQAQBαsP=

所以協(xié)議通過(guò)密碼防火墻提高了原協(xié)議的信息抗泄露性。

5.2 性能分析

為了分析ID-AKA-RF協(xié)議的性能，將該協(xié)議與4個(gè)無(wú)需雙線(xiàn)性對(duì)的ID-AKA協(xié)議進(jìn)行比較，包括Cao等[16]、Tseng等[30]、Islam等[31]、Kumar等[29]。為了方便后面的統(tǒng)計(jì), 首先用符號(hào)定義協(xié)議中所用到的運(yùn)算, 如表1所示。

表1 符號(hào)定義

表2給出了這幾個(gè)協(xié)議的計(jì)算成本和通信成本。因?yàn)槊總€(gè)用戶(hù)只需要注冊(cè)一次, 而每次會(huì)話(huà)都需要進(jìn)行認(rèn)證密鑰協(xié)商，所以這里只考慮認(rèn)證密鑰協(xié)商階段的計(jì)算成本和通信成本。通過(guò)表2可以看出，只有Kumar等[29]與ID-AK-RF協(xié)議在eCK模型進(jìn)行了安全性證明，并且實(shí)現(xiàn)了抗臨時(shí)會(huì)話(huà)秘密值攻擊。相比于Kumar等[29]的ID-AKA協(xié)議，ID-AKA-RF協(xié)議允許敵手進(jìn)行更強(qiáng)的KSTIA攻擊，表現(xiàn)在于敵手在獲得一次會(huì)話(huà)的臨時(shí)秘密值的同時(shí)，還能夠獲得用戶(hù)長(zhǎng)期私鑰的秘密值。

表2 與以往ID-AKA協(xié)議比較

在通信成本方面，設(shè)置了3個(gè)不同的安全等級(jí): 80、120和128[32]。這3個(gè)安全等級(jí)分別對(duì)應(yīng)于2TDEA (2-key triple-DES)[33]，3TDEA (3-key triple-DES)[33]和AES-128。選擇了基于有限域E(Fp)上的橢圓曲線(xiàn)y2=x3+xmodp。G1和G2分別是循環(huán)加法群和循環(huán)乘法群，它們的階都為q。表3列舉了在不同安全等級(jí)下p和q的值。根據(jù)表3，在80安全等級(jí)下，|Zq|=160 bits，|G1|=|G2|=1 024 bits。同樣可以計(jì)算出其他兩個(gè)安全等級(jí)下群G1和G2中的元素值。

表3 不同安全等級(jí)下的p和q (bits)

圖5展示了不同安全等級(jí)下的ID-AKA協(xié)議通信成本，其中取用戶(hù)的身份信息ID為512比特。通過(guò)比較后發(fā)現(xiàn)，ID-AKA-RF協(xié)議在身份認(rèn)證與密鑰協(xié)商階段所需要的通信帶寬窄。隨著安全等級(jí)的提高，ID-AKA-RF協(xié)議帶寬優(yōu)勢(shì)更加明顯，特別是與Islam等[31]相比。

圖5 不同安全等級(jí)下通信成本的比較Fig.5 Comparison of communication costs under different security levels

圖6 不同安全等級(jí)下會(huì)話(huà)密鑰協(xié)商運(yùn)行時(shí)間的比較Fig.6 Comparison of session key agreement running time under different security levels

表4 不同安全等級(jí)下的運(yùn)行時(shí)間

5.3 協(xié)議應(yīng)用

研究提出的協(xié)議可以應(yīng)用到需要建立會(huì)話(huà)密鑰的場(chǎng)景。例如，在移動(dòng)客戶(hù)端——服務(wù)器環(huán)境中，用戶(hù)(客戶(hù)端)使用低功耗移動(dòng)設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)強(qiáng)大的服務(wù)器以便得到某種服務(wù)，如移動(dòng)電子郵件、移動(dòng)Web訪(fǎng)問(wèn)等。為了防止未經(jīng)授權(quán)的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器的服務(wù)，需要對(duì)用戶(hù)進(jìn)行身份驗(yàn)證。此外，客戶(hù)端和服務(wù)器之間傳輸?shù)南⒖赡苁敲舾械?，需要在它們之間建立會(huì)話(huà)密鑰。最后，為了防止后門(mén)程序擾亂認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議的執(zhí)行，需要加裝逆向防火墻功能。

6 結(jié) 論

在不使用雙線(xiàn)性對(duì)運(yùn)算的情況下構(gòu)造了一種適用于基于身份認(rèn)證密鑰協(xié)商的逆向防火墻協(xié)議。同時(shí)在隨機(jī)預(yù)言機(jī)模型中，證明了該協(xié)議能夠抗泄露攻擊，特別是能夠抵抗強(qiáng)的臨時(shí)秘密值泄露攻擊。最后利用JPBC庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議并進(jìn)行了性能分析。在通信成本方面，該協(xié)議具有較低的帶寬；在計(jì)算成本方面，雖然該協(xié)議相比于Cao等[16]和Kumar等[29]的ID-AKA協(xié)議有一定的增加，但處于合理范圍內(nèi)。綜合安全性方面的考慮，協(xié)議與其他同類(lèi)型ID-AKA協(xié)議相比具有很大的性能優(yōu)勢(shì)，十分適合應(yīng)用于資源受限的設(shè)備中。