基于聯(lián)盟鏈的跨域認(rèn)證方案

牛建林，任志宇，杜學(xué)繪

（信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001）

0 引言

跨域認(rèn)證一直是網(wǎng)絡(luò)安全界尤為關(guān)注的問(wèn)題。盡管目前有許多關(guān)于跨域訪問(wèn)的解決方案，不同信任域的不同設(shè)備可以很容易地在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)框架下互聯(lián)，但是仍有許多信任與安全的問(wèn)題尚待解決。目前，多數(shù)認(rèn)證的解決方案是基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI，public key infrastructure）[1]的。在PKI中，引入證書(shū)權(quán)威機(jī)構(gòu)（CA，certificate authority）作為可信第三方（TTP，trusted third party）。隨著實(shí)體的數(shù)目增加，伴隨而來(lái)的大量證書(shū)的管理，給系統(tǒng)帶來(lái)了不小的負(fù)擔(dān)。此外，PKI體系面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，尤其是CA易受到攻擊[2]。近幾年由于誤操作導(dǎo)致的CA泄露事件也層出不窮[3]。傳統(tǒng)的跨域解決方案過(guò)度依賴(lài)于可信第三方，導(dǎo)致敏感數(shù)據(jù)被集中地存儲(chǔ)起來(lái)。被集中存儲(chǔ)的海量敏感數(shù)據(jù)對(duì)攻擊者而言也是個(gè)不小的誘惑。

聯(lián)盟鏈（consortium blockchain）是一種準(zhǔn)入型區(qū)塊鏈[4]。它有保存著分布式賬本的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須得到驗(yàn)證后才能加入聯(lián)盟鏈。聯(lián)盟鏈保留著公有鏈的諸多特性，如能夠建立節(jié)點(diǎn)間信任、鏈上數(shù)據(jù)不易篡改等。此外，相較于公有鏈，聯(lián)盟鏈具有交易速度更快、能夠更好保護(hù)數(shù)據(jù)隱私等特性，已在解決多方信任問(wèn)題中得到一些應(yīng)用[5]。聯(lián)盟鏈通過(guò)密碼學(xué)算法建立分布式賬本，具有“組織”的概念，這與跨域認(rèn)證場(chǎng)景中“域”的概念是相契合的。相較傳統(tǒng)的引入多中心的方法而言，它具有防篡改、便于審計(jì)等優(yōu)勢(shì)。因此，借助聯(lián)盟鏈的這些特性來(lái)解決跨域認(rèn)證中的域間信任問(wèn)題，不失為一種好的方法。

基于身份的密碼體制（IBC，identity-based cryptography）方案可以有效規(guī)避證書(shū)管理等方面的問(wèn)題，自Shamir[6]提出IBC后，2001年，Boneh等[7]提出了更為實(shí)用的身份加密方案，他們利用雙線性映射完成了基于身份的加密和簽名。此后，有不少學(xué)者基于IBC針對(duì)跨域認(rèn)證問(wèn)題提出了解決方案。彭華熹[8]提出一種基于IBC的跨域認(rèn)證方案，但由于其中存在大量的雙線性映射的運(yùn)算，并不適合輕量化的場(chǎng)景使用。Bellare等[9]利用橢圓曲線加法群提出了一種基于身份的簽名算法，避免了復(fù)雜的雙線性對(duì)運(yùn)算，提高了基于身份的認(rèn)證效率。羅長(zhǎng)遠(yuǎn)等[10]在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)了驗(yàn)證部分，并證明了其安全性。Yuan等[11]提出一種跨IBC和PKI域的EIMAKP方案，但計(jì)算負(fù)載和通信負(fù)載較大。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)研究的發(fā)展，基于區(qū)塊鏈的跨域認(rèn)證方案被提出。周致成等[12]設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈的PKI跨域認(rèn)證方案。馬曉婷等[13]據(jù)此設(shè)計(jì)了一種基于聯(lián)盟鏈的跨異構(gòu)域認(rèn)證方案，有效降低了計(jì)算和通信負(fù)載，但在實(shí)際上仍舊是基于證書(shū)體系的認(rèn)證方案，且未對(duì)鏈上讀寫(xiě)性能進(jìn)行分析。Shen等[14]將聯(lián)盟鏈與IBC結(jié)合，提出了針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的跨域認(rèn)證方案。

基于此，本文將改進(jìn)的IBC體制與聯(lián)盟鏈結(jié)合，提出一種新的方法來(lái)解決跨域認(rèn)證的問(wèn)題。但這樣的結(jié)合會(huì)引發(fā)出一些新的問(wèn)題待解決，面臨的挑戰(zhàn)如下。

1) 區(qū)塊鏈的可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)限制。由于寫(xiě)入鏈上數(shù)據(jù)需要共識(shí)，且賬本在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有一份副本。倘若存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)過(guò)大，必然導(dǎo)致鏈上寫(xiě)入時(shí)延過(guò)大和數(shù)據(jù)冗余[15]。

2) IBC中的身份注銷(xiāo)問(wèn)題。由于IBC中身份由用戶(hù)自己定義，因此身份注冊(cè)后如何將其注銷(xiāo)是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

3) 身份隱私的保護(hù)。鏈上信息公開(kāi)，若身份信息完全不加以處理地上鏈，則其隱私無(wú)法得到保護(hù)。

4) 匿名身份難以監(jiān)管。對(duì)身份進(jìn)行匿名后，雖然隱私受到保護(hù)，但存在匿名身份難以監(jiān)管的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題和應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于聯(lián)盟鏈的跨域認(rèn)證方法。本文工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下。

1) 針對(duì)跨域應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商方案。

2) 設(shè)計(jì)了一種身份管理方法，解決IBC中身份難以注銷(xiāo)的問(wèn)題和匿名身份難以監(jiān)管的問(wèn)題。

3) 針對(duì)鏈上的存儲(chǔ)限制，基于IPFS提出一種安全可靠的分布式鏈下存儲(chǔ)方案。

1 跨域認(rèn)證方案設(shè)計(jì)

本節(jié)介紹跨域認(rèn)證方案的細(xì)節(jié)。在跨域認(rèn)證場(chǎng)景中假定有兩個(gè)安全域，分別為域A和域B，如圖1所示。

圖1 跨域認(rèn)證場(chǎng)景Figure 1 A cross-domain authentication scenario

1.1 整體架構(gòu)

本文方案使用聯(lián)盟鏈為不同的安全域構(gòu)建信任關(guān)系，避免了可信第三方的引入。在進(jìn)行跨域認(rèn)證時(shí)，聯(lián)盟鏈能夠保證各個(gè)域數(shù)據(jù)的一致性，且能夠成為跨域認(rèn)證的可信數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。

本文的跨域認(rèn)證方案使用多中心的方式，緩解了在進(jìn)行跨域訪問(wèn)時(shí)只有一個(gè)認(rèn)證中心的密鑰托管和單點(diǎn)失效等問(wèn)題。對(duì)于域內(nèi)訪問(wèn)，本文方案并未解決中心化帶來(lái)的問(wèn)題，如域內(nèi)只有一個(gè)KGC導(dǎo)致的密鑰托管問(wèn)題和單點(diǎn)失效問(wèn)題。但如果在域內(nèi)設(shè)置多個(gè)中心，必然導(dǎo)致計(jì)算負(fù)載急劇上升。目前的方案是在安全性與可用性之間進(jìn)行折中的結(jié)果。

整個(gè)方案分為4層架構(gòu)[14]，分別為：實(shí)體層、代理層、區(qū)塊鏈層和存儲(chǔ)層。整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 認(rèn)證方案架構(gòu)Figure 2 Architecture of authentication scheme

（1）實(shí)體層

實(shí)體層包含用戶(hù)客戶(hù)端、服務(wù)提供者（SP，service provider）、認(rèn)證服務(wù)器（AS，authentication server）和KGC。用戶(hù)客戶(hù)端主要是用戶(hù)用于訪問(wèn)服務(wù)的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、手持終端設(shè)備等。它們的主要行為是訪問(wèn)服務(wù)和在需要認(rèn)證時(shí)請(qǐng)求KGC為自己生成密鑰。SP是各個(gè)域中的服務(wù)提供商，為用戶(hù)提供資源訪問(wèn)服務(wù)。在一個(gè)域中，只有一個(gè)KGC，它為本域內(nèi)的用戶(hù)和SP生成認(rèn)證所需的私鑰。在認(rèn)證過(guò)程中，KGC與認(rèn)證服務(wù)器和區(qū)塊鏈代理服務(wù)器一起完成認(rèn)證的工作。在認(rèn)證的過(guò)程中，還需要進(jìn)行簽名和驗(yàn)簽的工作，這些工作同樣在KGC服務(wù)器上完成，在圖中將兩者分立開(kāi)來(lái)是為了更清楚地表示它們的分工關(guān)系。為便于區(qū)分，本文將用戶(hù)歸屬域的認(rèn)證服務(wù)器稱(chēng)為HAS（home authentication server），將跨域訪問(wèn)目標(biāo)域的認(rèn)證服務(wù)器稱(chēng)為FAS（foreign authentication server）。

（2）代理層

在代理層設(shè)區(qū)塊鏈代理服務(wù)器（BAS，blockchain agent server）。在每個(gè)域中，需要設(shè)置一個(gè)聯(lián)盟鏈的節(jié)點(diǎn)用于維護(hù)全局賬本。這個(gè)節(jié)點(diǎn)在本域的信息進(jìn)行變更時(shí)需要將新的域信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈，在認(rèn)證其他域的實(shí)體的訪問(wèn)信息時(shí)查詢(xún)此域的鏈上信息。倘若這些工作全由KGC完成，勢(shì)必給KGC服務(wù)器帶來(lái)較大負(fù)擔(dān)。因此，需要引入BAS單獨(dú)完成讀寫(xiě)鏈上數(shù)據(jù)的任務(wù)。

（3）區(qū)塊鏈層

在區(qū)塊鏈層，本文方案使用聯(lián)盟鏈作為其底層架構(gòu)。各個(gè)域的信息將存儲(chǔ)于聯(lián)盟鏈。在認(rèn)證過(guò)程中，不同的域根據(jù)域ID向聯(lián)盟鏈查詢(xún)相關(guān)安全域的數(shù)據(jù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，域內(nèi)信息的數(shù)據(jù)量會(huì)比較大。由于區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)較大的數(shù)據(jù)量必然導(dǎo)致交易時(shí)延過(guò)大以致不可接受，所以選擇將數(shù)據(jù)的摘要存儲(chǔ)于鏈上，具體域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息則存儲(chǔ)于存儲(chǔ)層。

鏈上存儲(chǔ)的域內(nèi)信息數(shù)據(jù)以Key-Value的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如圖3所示。

圖3 鏈上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式Figure 3 Data field on blockchain

IDdomain是安全域的唯一標(biāo)識(shí)符。Addripfs是數(shù)據(jù)在IPFS上的地址。由于IPFS是一種基于內(nèi)容尋址的方式，文件系統(tǒng)根據(jù)文件的摘要生成其唯一的地址。這樣設(shè)計(jì)，既保證了鏈上數(shù)據(jù)不至于過(guò)大，又避免了文件被篡改。

（4）存儲(chǔ)層

實(shí)際的域內(nèi)信息數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于一個(gè)JSON文件。域內(nèi)信息包括安全域的名稱(chēng)、域內(nèi)主要公開(kāi)的系統(tǒng)參數(shù)、域內(nèi)主公鑰和域內(nèi)實(shí)體的公鑰列表。這個(gè)公鑰列表中存儲(chǔ)的是臨時(shí)身份，用于跨域認(rèn)證。這個(gè)JSON文件將被存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈外的IPFS[16]存儲(chǔ)系統(tǒng)。IPFS是一種基于內(nèi)容尋址的系統(tǒng)，它將文件內(nèi)容經(jīng)過(guò)摘要算法和編碼算法計(jì)算得到一個(gè)唯一的地址。若文件被修改，此地址將發(fā)生巨大變化。這種在鏈上存儲(chǔ)IPFS地址信息、在IPFS中存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)的方式，能夠防篡改和突破鏈上存儲(chǔ)限制。

1.2 身份管理方案

由上文可知，IBC方案將用戶(hù)的身份作為用于認(rèn)證的公鑰。在此，提出永久的自主權(quán)身份和臨時(shí)身份。永久的自主權(quán)身份由用戶(hù)自主控制，而臨時(shí)身份的有效期很短，用于跨域認(rèn)證時(shí)使用。

1) 永久的自主權(quán)身份。用戶(hù)在加入這個(gè)安全域時(shí)，先向KGC進(jìn)行注冊(cè)。出于隱私保護(hù)的考慮，將身份屬性信息的摘要存儲(chǔ)于鏈上，身份信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于用戶(hù)自己的設(shè)備。一旦注冊(cè)，用戶(hù)擁有對(duì)身份數(shù)據(jù)的完全控制權(quán)。KGC根據(jù)這個(gè)身份對(duì)用戶(hù)進(jìn)行管理。用戶(hù)也可以根據(jù)需要，自主選擇是否向SP披露個(gè)人屬性信息以及披露多少信息。

2) 臨時(shí)身份。用戶(hù)設(shè)備生成隨機(jī)數(shù)N，再將此隨機(jī)數(shù)與永久身份結(jié)合發(fā)送給KGC。KGC在其后面加上身份期限再用監(jiān)管公鑰對(duì)其加密，生成臨時(shí)身份公鑰。KGC再根據(jù)此身份公鑰生成私鑰。例如，用戶(hù)生成隨機(jī)數(shù)N來(lái)構(gòu)造臨時(shí)身份，KGC據(jù)此生成公鑰，其中PKs為監(jiān)管公鑰，PK為永久公鑰，Te為過(guò)期時(shí)間。若需要監(jiān)管，則監(jiān)管方通過(guò)監(jiān)管私鑰解密，可恢復(fù)出臨時(shí)身份對(duì)應(yīng)的永久身份，達(dá)到監(jiān)管和審計(jì)的目的。隨后，生成私鑰sktemp。臨時(shí)身份有效時(shí)間較短，可根據(jù)具體安全需求來(lái)確定（如7天）。

1.3 基于身份的密碼體制

考慮將標(biāo)識(shí)密碼算法應(yīng)用于本文方案，但由于此方案引入?yún)^(qū)塊鏈代理和臨時(shí)身份，需要在密鑰生成階段對(duì)此算法加以改進(jìn)。

系統(tǒng)初始化：KGC生成的系統(tǒng)參數(shù)包括橢圓曲線識(shí)別符cid，橢圓曲線基域Fq的參數(shù)；橢圓曲線方程參數(shù)a和b；扭曲線參數(shù)β；曲線階的素因子N和相對(duì)于N的余因子cf；曲線E(Fq)相對(duì)于N的嵌入次數(shù)k；(d1整除k)的N階循環(huán)子群G1的生成元P1；(d2整除k)的N階循環(huán)子群G2的生成元P2；雙線性對(duì)e的識(shí)別符eid；同態(tài)映射ψ:G2→G1；雙線性對(duì)e的值域?yàn)镹階乘法循環(huán)群G1×G2→GT；簽名私鑰生成函數(shù)識(shí)別符hid。

產(chǎn)生私鑰：KGC先選擇簽名主私鑰ks∈[1,N?1]，隨后計(jì)算簽名主公鑰Ppub-s=[ks]P2，其中Ppub-s∈G2，KGC妥善秘密保管ks，公開(kāi)Ppub-s。假設(shè)用戶(hù)A的標(biāo)識(shí)為IDA，生成臨時(shí)公鑰，KGC計(jì)算t1=H1? (PKtemp-A||hid,N)+ks。若t1≠0，計(jì)算用戶(hù)私鑰，否則，重新產(chǎn)生簽名主私鑰，計(jì)算公開(kāi)Ppub-s，并將已有用戶(hù)的私鑰全部更新。

參數(shù)公開(kāi)與鏈上存儲(chǔ)：將生成的系統(tǒng)參數(shù)與更新后的PKtemp列表存儲(chǔ)至IPFS文件系統(tǒng)，并將此IPFS地址與本域ID打包發(fā)送至BAS以存儲(chǔ)于鏈上。

1.4全認(rèn)證

全認(rèn)證包括臨時(shí)身份生成和跨域認(rèn)證（如圖4所示）兩個(gè)階段。做以下規(guī)定：[M]Alice表示使用Alice私鑰進(jìn)行的簽名；{M}Alice表示使用Alice公鑰加密的信息。

圖4 跨域認(rèn)證過(guò)程Figure 4 Cross-domain authentication process

（1）臨時(shí)身份生成階段

域A中的用戶(hù)UA需要首先確認(rèn)自己的臨時(shí)身份是否過(guò)期。若過(guò)期，按照身份管理方案重新生成臨時(shí)身份IDtemp-A。UA生成隨機(jī)數(shù)N，向HAS發(fā)送請(qǐng)求，申請(qǐng)臨時(shí)身份。HAS收到后，若消息新鮮，則驗(yàn)證身份，并請(qǐng)求KGC根據(jù)私鑰生成規(guī)則生成公私鑰對(duì)(PKtemp-A,sktemp-A)。

HAS生成公私鑰對(duì)后，更新存儲(chǔ)本域信息的JSON文件，重新存儲(chǔ)于IPFS，并向BASA發(fā)送請(qǐng)求，將新生成的IPFS地址更新至鏈上。HAS將更新后的文件信息通過(guò)更新接口update()寫(xiě)入聯(lián)盟鏈分布式賬本中。

得到部署成功的信息之后，BASA將給HAS發(fā)送是否成功信息。

HAS收到鏈上寫(xiě)入數(shù)據(jù)成功的消息后，給UA秘密發(fā)送公私鑰對(duì)(PKtemp-A,sktemp-A)。

（2）跨域認(rèn)證階段

UA生成隨機(jī)數(shù)N，構(gòu)造消息5text。將構(gòu)造的消息進(jìn)行簽名后加密發(fā)送至SPB，隨后轉(zhuǎn)發(fā)至FAS。其中，ext為擴(kuò)展字段，可以用來(lái)傳遞擴(kuò)展信息或者密鑰協(xié)商信息。

FAS收到UA的認(rèn)證請(qǐng)求后，根據(jù)IDdomain向BASB發(fā)送鏈上查詢(xún)請(qǐng)求。

BASB將查詢(xún)到的域A的地址發(fā)送給FAS。FAS隨后根據(jù)IPFS地址去獲取域內(nèi)信息。隨后根據(jù)獲得的A域的信息，驗(yàn)證UA的簽名。若驗(yàn)證通過(guò)，F(xiàn)AS中建立臨時(shí)賬戶(hù)記錄。此賬戶(hù)供將來(lái)重認(rèn)證時(shí)使用。lifetime為此賬戶(hù)的有效期，其值可以根據(jù)安全需要設(shè)定，若超過(guò)此有效期，F(xiàn)AS刪除此賬戶(hù)記錄。

FAS驗(yàn)證通過(guò)后，向UA發(fā)送驗(yàn)證成功信息。其中，為用戶(hù)的身份索引，UA將以此作為之后重認(rèn)證的憑證。

1.5 重認(rèn)證

在身份有效期內(nèi)，用戶(hù)再次訪問(wèn)域B中的資源提供者SPB。此時(shí)可以直接通過(guò)FAS對(duì)用戶(hù)快速認(rèn)證。重認(rèn)證過(guò)程如下。

用戶(hù)生成隨機(jī)數(shù)N與自己的身份索引和擴(kuò)展信息，擴(kuò)展信息中包含協(xié)商密鑰。將上述信息使用臨時(shí)身份密鑰進(jìn)行簽名后，秘密發(fā)送給FAS。FAS根據(jù)身份索引查找本地記錄，若查到，則根據(jù)此用戶(hù)記錄和本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中域A的系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)用戶(hù)進(jìn)行驗(yàn)證。若存在用戶(hù)記錄和簽名驗(yàn)證成功，通過(guò)用戶(hù)認(rèn)證。

FAS向SPB發(fā)送包含協(xié)商密鑰的擴(kuò)展信息，SPB生成自己的協(xié)商密鑰，隨后計(jì)算會(huì)話密鑰。

SPB將自己生成的協(xié)商密鑰放于3ext'，發(fā)送給FAS。

FAS向UA發(fā)送驗(yàn)證成功信息和包含密鑰協(xié)商信息的擴(kuò)展信息。UA根據(jù)此計(jì)算會(huì)話密鑰。

至此重認(rèn)證過(guò)程結(jié)束。

1.6 密鑰協(xié)商

用戶(hù)訪問(wèn)資源服務(wù)時(shí)需要通過(guò)加密來(lái)保證信息傳輸?shù)陌踩?，但為了傳輸效率，不可能使用非?duì)稱(chēng)的加密方式。因此，需要通過(guò)協(xié)商會(huì)話的對(duì)稱(chēng)加密密鑰，保證信息傳輸安全和完全正向保密（PFS，perfect forward secrecy）。在此，使用短時(shí)Diffie-Hellman體制進(jìn)行密鑰交換。

以用戶(hù)UA和SPB典型的密鑰交換過(guò)程為例，基本過(guò)程如下：UA選擇自己的秘密指數(shù)a，SPB選擇自己的秘密指數(shù)b，UA發(fā)送gamodp給SPB，SPB發(fā)送gbmodp給UA。最終雙方分別計(jì)算后，協(xié)商出共享的會(huì)話密鑰Ks=gabmodp。

通常，上述的短時(shí)Diffie-Hellman體制極易遭到中間人攻擊，所以將此密鑰協(xié)商過(guò)程放在認(rèn)證過(guò)程中進(jìn)行?？梢詫⑸鲜鲂畔⒎胖翑U(kuò)展信息ext中，以滿(mǎn)足對(duì)安全性的需求。

2 安全性分析

2.1 協(xié)議的安全性證明

SVO邏輯屬于BAN類(lèi)邏輯，是一種較為成熟可靠的形式化分析工具[17]。本節(jié)基于SVO邏輯，對(duì)協(xié)議進(jìn)行形式化證明。在SVO邏輯中，證明分為初始假設(shè)、協(xié)議目標(biāo)和協(xié)議分析3個(gè)部分。

（1）基本公理

這里僅列舉本文在證明此協(xié)議安全性時(shí)涉及的基本公理[18]。

（2）初始假設(shè)

H1. 系統(tǒng)初始化已經(jīng)完畢，且各個(gè)域的實(shí)體已經(jīng)完成認(rèn)證，擁有公私鑰。

H2. 聯(lián)盟鏈中節(jié)點(diǎn)間是可信的。

（3）協(xié)議目標(biāo)

（4）協(xié)議分析

Step 1由Msg1和假設(shè)H1、H3、H4、H5、公理A3，可得

Step 2由Msg2、Msg3和R1，根據(jù)假設(shè)H2、H6、H7，可得

Step 3根據(jù)Msg4，由假設(shè)H3、H4、H5，結(jié)合R2，利用公理A4，可得

Step 4根據(jù)Msg6、Msg7，由假設(shè)H8、H9，結(jié)合R3，利用公理A5，可得

此時(shí)達(dá)到協(xié)議目標(biāo)G3。

Step 5利用R3、R4結(jié)論，F(xiàn)AS利用查詢(xún)得到的信息，對(duì)AU簽名進(jìn)行驗(yàn)證，由假設(shè)H10、H11，利用公理A1、A4，可得

此時(shí)達(dá)到協(xié)議目標(biāo)G1。

Step 6利用Msg8，由假設(shè)H8，公理A5，可得

此時(shí)達(dá)到協(xié)議目標(biāo)G2。

至此已達(dá)到所有協(xié)議目標(biāo)。

2.2 安全屬性分析

（1）協(xié)議安全性

在構(gòu)建信任方面，本文方案通過(guò)聯(lián)盟鏈這種可準(zhǔn)入鏈的方式為不同安全域的實(shí)體建立信任。經(jīng)過(guò)SVO證明，表明協(xié)議是安全的。另外使用的密鑰協(xié)商方案在認(rèn)證建立時(shí)進(jìn)行密鑰協(xié)商，使用短時(shí)密鑰協(xié)商，保證了完全正向保密安全。

（2）抗重放攻擊

在認(rèn)證過(guò)程中，使用隨機(jī)數(shù)來(lái)保證消息新鮮。即使消息被敵手從中間截獲，也會(huì)由于消息不具有實(shí)效性而導(dǎo)致認(rèn)證失敗。這樣能夠有效阻止攻擊者通過(guò)重放來(lái)進(jìn)行攻擊。

（3）抗中間人攻擊

在認(rèn)證過(guò)程中，實(shí)體之間的重要消息通過(guò)先簽名后加密的方式進(jìn)行傳輸。簽名不可偽造。信道中的攻擊者若對(duì)消息篡改，將使驗(yàn)簽無(wú)法通過(guò)。通過(guò)此方法，有效地阻止了中間人攻擊。

（4）身份匿名性

在此方案中，認(rèn)證時(shí)使用的是臨時(shí)身份。臨時(shí)身份生成的過(guò)程使身份具有一定的匿名性，而且一段時(shí)間后，身份將不再可用，避免了身份被惡意跟蹤，保證了一定限度上的身份匿名性。

（5）可審計(jì)

在身份管理方案中，加入了可監(jiān)管公私鑰，在發(fā)生惡意事件時(shí)，可對(duì)身份信息和身份的行為進(jìn)行監(jiān)管和審計(jì)。

3 性能分析

3.1 負(fù)載性能分析

為合理地比較本文方案與其他方案的性能，參考Kilinc等[19]的實(shí)驗(yàn)，對(duì)運(yùn)算時(shí)間進(jìn)行模擬分析。其實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Intel Pentium Dual CPU E2200 2.2 GHz, 2048 MB RAM, Ubuntu 12.04.1 LTS 32 bit操作系統(tǒng)。

在簽名方案中，設(shè)置參數(shù)如下。

使用256 bit的BN曲線，橢圓曲線方程

基域特征p(t)=36t4+36t3+24t2+6t+1

群的階N(t)=36t4+36t3+18t2+6t+1

嵌入次數(shù)k=12

（1）計(jì)算負(fù)載

在認(rèn)證過(guò)程中，實(shí)體會(huì)執(zhí)行相關(guān)的密碼學(xué)算法運(yùn)算。做以下規(guī)定：公鑰加密為PE，公鑰解密為PD，非對(duì)稱(chēng)簽名AS，非對(duì)稱(chēng)驗(yàn)簽AV，點(diǎn)乘PM，選擇隨機(jī)數(shù)RNG，基于身份簽名IBS，基于身份驗(yàn)簽IBV，密碼雜湊算法H。

根據(jù)認(rèn)證過(guò)程，統(tǒng)計(jì)分析得出從臨時(shí)身份獲取到密鑰協(xié)商的總計(jì)算負(fù)載如表1所示。

表1 計(jì)算負(fù)載Table 1 Computation overhead

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)本協(xié)議的計(jì)算量，將本文方案的跨域協(xié)議計(jì)算負(fù)載與其他方案進(jìn)行比較，如表2所示。在不同用戶(hù)數(shù)時(shí)，不同方案的耗時(shí)對(duì)比如圖5和圖6所示。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，本文協(xié)議用戶(hù)端上的計(jì)算負(fù)載表現(xiàn)與文獻(xiàn)[13]方案基本相同，優(yōu)于文獻(xiàn)[10]方案和文獻(xiàn)[12]方案；在服務(wù)端，略?xún)?yōu)于文獻(xiàn)[10]方案，明顯好于文獻(xiàn)[12]方案和文獻(xiàn)[13]方案。

圖5 用戶(hù)端耗時(shí)比較Figure 5 Time-consuming on user-side

圖6 服務(wù)端耗時(shí)比較Figure 6 Time-consuming on server-side

表2 計(jì)算負(fù)載比較Table 2 Comparison of computation overhead

（2）通信負(fù)載

這一部分評(píng)估了本文方案認(rèn)證過(guò)程中的通信負(fù)載。

在本文方案中，用戶(hù)的臨時(shí)身份大小為32 byte，隨機(jī)數(shù)為2 byte，擴(kuò)展信息為32 byte，簽名后的簽名信息為96 byte。據(jù)此推算，UA首先向FAS發(fā)送了82 byte的驗(yàn)證請(qǐng)求信息，F(xiàn)AS查詢(xún)BASB的通信過(guò)程為66 byte，最后UA收到的認(rèn)證結(jié)果信息為52 byte。統(tǒng)計(jì)上述負(fù)載，可以得到在認(rèn)證過(guò)程的通信總負(fù)載為296 byte。

相較于文獻(xiàn)[13]方案（通信負(fù)載為130 byte），本方文案有較大的通信負(fù)載，但明顯低于文獻(xiàn)[12]方案（通信負(fù)載為340 byte），因此本文方案在通信效率上是較高的。

3.2 聯(lián)盟鏈性能分析

本文方案基于聯(lián)盟鏈構(gòu)建信任關(guān)系。在認(rèn)證過(guò)程中，需要向鏈中寫(xiě)入和查詢(xún)認(rèn)證相關(guān)信息。因此，在聯(lián)盟鏈中，寫(xiě)入和查詢(xún)參數(shù)是一個(gè)對(duì)可用性影響比較大的指標(biāo)。為評(píng)估本文方案的可用性，借助Hyperledger-Caliper，對(duì)Hyperledger Fabric的讀寫(xiě)性能進(jìn)行測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Intel Core i5 7500@3.4 GHz CPU；8 GB RAM; Ubuntu 18.04 LTS操作系統(tǒng)。

測(cè)試后的結(jié)果如圖7和圖8所示。易見(jiàn)，并發(fā)數(shù)對(duì)query操作時(shí)延的影響不大。query操作的時(shí)延總是在極低的水平，基本在10 ms以?xún)?nèi)。因?yàn)樵趨^(qū)塊鏈中進(jìn)行query操作時(shí)，會(huì)從本地存儲(chǔ)的賬本中直接讀取數(shù)據(jù)，基本上沒(méi)有時(shí)間上的損耗，所以query操作的時(shí)延能夠如此之低。然而寫(xiě)操作的時(shí)延是隨著并發(fā)數(shù)的增加不斷增加的。并發(fā)數(shù)超過(guò)50時(shí)，時(shí)延開(kāi)始增加得非常迅速。在并發(fā)數(shù)為100時(shí)，時(shí)延達(dá)到5 s。得到這個(gè)結(jié)果也是意料之中的，因?yàn)殡S著并發(fā)數(shù)的增加，共識(shí)的壓力在逐步增大，最終導(dǎo)致寫(xiě)時(shí)延增加。在本文方案中，write操作只有在生成臨時(shí)身份時(shí)才存在，操作并不頻繁，時(shí)延能夠滿(mǎn)足需求。以上結(jié)果表明，聯(lián)盟鏈在時(shí)延表現(xiàn)方面，具有良好的可用性。

圖7 鏈上query操作時(shí)延Figure 7 Query latency on blockchain

圖8 鏈上write操作時(shí)延Figure 8 Write latency on blockchain

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前跨域認(rèn)證的依賴(lài)可信第三方、域間不易建立信任的安全難題，本文參考IBC體制，提出了一種基于聯(lián)盟鏈的跨域認(rèn)證機(jī)制。針對(duì)跨域場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)了包括全認(rèn)證和重認(rèn)證在內(nèi)的跨域認(rèn)證協(xié)議和密鑰協(xié)商方案；設(shè)計(jì)了一套身份管理方法，在保證身份匿名性的同時(shí)，確保用戶(hù)行為可監(jiān)管、可審計(jì)。針對(duì)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)限制，本文結(jié)合IPFS提出了一種鏈下分布式認(rèn)證信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。最后，使用SVO邏輯對(duì)認(rèn)證協(xié)議的安全性進(jìn)行了證明，表明其具有良好的安全性。分析了計(jì)算負(fù)載和通信負(fù)載，與現(xiàn)有的相關(guān)方案相比，有較低的計(jì)算負(fù)載和良好的通信負(fù)載。測(cè)試了聯(lián)盟鏈的性能，分析表明，在時(shí)延表現(xiàn)方面，其具有良好的可用性。