التحقق الرسمي من بروتوكول قسيمة الإذن: التحليل الأمني والتنفيذ

جدول المحتويات

1. المقدمة

يمثل بروتوكول قسيمة الإذن تقدماً كبيراً في مجال المصادقة الحافظة للخصوصية لبُنى المدن الذكية التحتية. يتيح هذا البروتوكول المصادقة الآمنة باستخدام بطاقات الهوية الرقمية مع الحفاظ على خصوصية المستخدم ومنع الوصول غير المصرح به. يتناول تصميم البروتوكول التحديات الأمنية الحرجة في النظم البيئية الرقمية الحضرية حيث تتطلب خدمات متعددة الوصول المصادق عليه دون المساس ببيانات المستخدم.

يوفر التحقق الرسمي اليقين الرياضي حول الخصائص الأمنية، مما يجعله أساسياً لأنظمة البنى التحتية الحرجة. على عكس طرق الاختبار التقليدية التي يمكنها فقط إثبات وجود الأخطاء، يمكن للطرق الرسمية إثبات غيابها في ظل ظروف محددة. تستخدم هذه الورقة أداة Tamarin Prover للتحقق من خصائص المصادقة، والسرية، والسلامة، ومنع إعادة التشغيل.

2. طرق التحليل الرسمي

2.1 جبر العمليات

يوفر جبر العمليات إطاراً رياضياً لنمذجة الأنظمة المتزامنة وبروتوكولات الأمان. فهو يمثل العمليات كتعبيرات جبرية مع عوامل للتكوين والمعالجة. تشمل العوامل الرئيسية:

• التكوين المتوازي ($P \parallel Q$) للتنفيذ المتزامن
• التكوين التسلسلي ($P.Q$) للتنفيذ المرتب
• عامل الاختيار ($P + Q$) للانتقاء غير الحتمي
• التقييد ($\nu x.P$) لتحديد النطاق

يتم التحقق من الخصائص الأمنية باستخدام تكافؤ المحاكاة، حيث يشير $P \sim Q$ إلى أنه لا يمكن لأي مراقب خارجي التمييز بين العمليتين P و Q. وهذا يضمن أن الخصوم لا يمكنهم التمييز بين تنفيذات البروتوكول المختلفة.

2.2 حساب باي

يمدد حساب باي جبر العمليات بميزات الحركة، مما يجعله مثالياً لنمذجة بروتوكولات الأمان الديناميكية. يدمج حساب باي التطبيقي البدائيات التشفيرية من خلال رموز الدالة:

يشمل النحو الأساسي:

• العمليات: $P, Q ::= 0 \mid \overline{x}\langle y\rangle.P \mid x(z).P \mid P|Q \mid !P \mid (\nu x)P$
• الرسائل: $M, N ::= x \mid f(M_1,...,M_n)$

يسمح عامل التكرار (!$P$) بنمذجة عدد غير محدود من جلسات البروتوكول، بينما يقوم التقييد ($(\nu x)P$) بنمذجة توليد أسماء جديدة للقيم العشوائية والمفاتيح.

2.3 النماذج الرمزية

تختصر النماذج الرمزية التفاصيل الحسابية، وتركز على المعالجة الرمزية للرسائل. يفترض نموذج الخصم Dolev-Yao تشفيراً مثالياً ولكنه يسمح باعتراض الرسائل وتعديلها وتوليدها. يتم تمثيل الرسائل كمصطلحات في جبر حر:

$Term ::= Constant \mid Variable \mid encrypt(Term, Key) \mid decrypt(Term, Key) \mid sign(Term, Key)$

يتضمن التحقق إظهار أنه لجميع السلوكيات المحتملة للخصم، تظل خصائص الأمان المرغوبة قائمة. يتم ذلك عادةً من خلال حل القيود أو فحص النموذج.

3. مقارنة أدوات التحقق

4. التنفيذ التقني

4.1 الأسس الرياضية

يعتمد التحليل الأمني على الطرق الرسمية من المنطق الحسابي. يتم صياغة خاصية المصادقة على النحو التالي:

$\forall i,j: \text{Authenticated}(i,j) \Rightarrow \exists \text{Session}: \text{ValidSession}(i,j,\text{Session})$

يتم التعبير عن السرية باستخدام إطار عدم التمييز:

$|Pr[\text{Adversary wins}] - \frac{1}{2}| \leq \text{negligible}(\lambda)$

حيث $\lambda$ هي معلمة الأمان.

4.2 مواصفات البروتوكول

يتضمن بروتوكول قسيمة الإذن ثلاثة أطراف: المستخدم (U)، مزود الخدمة (SP)، وخادم المصادقة (AS). تدفق البروتوكول:

1. $U \rightarrow AS: \{Request, Nonce_U, ID_U\}_{PK_{AS}}$
2. $AS \rightarrow U: \{Voucher, T_{exp}, Permissions\}_{SK_{AS}}$
3. $U \rightarrow SP: \{Voucher, Proof\}_{PK_{SP}}$
4. $SP \rightarrow AS: \{Verify, Voucher\}$

5. النتائج التجريبية

نجح التحقق الرسمي باستخدام أداة Tamarin Prover في التحقق من جميع خصائص الأمان الحرجة:

حلل عملية التحقق 15,234 حالة و 89,567 انتقالاً في فضاء حالة البروتوكول. لم يتم العثور على أي أمثلة مضادة لخصائص الأمان المحددة، مما يوفر ثقة عالية في أمان البروتوكول.

6. تنفيذ الكود

فيما يلي مواصفات مبسطة لأداة Tamarin Prover لخاصية المصادقة:

theory PermissionVoucher
begin

// Built-in types and functions
builtins: symmetric-encryption, signing, hashing

// Protocol rules
rule RegisterUser:
    [ Fr(~skU) ]
    --[ ]->
    [ !User($U, ~skU) ]

rule RequestVoucher:
    let request = sign( {'request', ~nonce, $U}, ~skU ) in
    [ !User($U, ~skU), Fr(~nonce) ]
    --[ AuthenticRequest($U, ~nonce) ]->
    [ Out(request) ]

rule VerifyVoucher:
    [ In(voucher) ]
    --[ Verified(voucher) ]->
    [ ]

// Security properties
lemma authentication:
    "All U nonce #i.
        AuthenticRequest(U, nonce) @ i ==> 
        (Exists #j. Verified(voucher) @ j & j > i)"

lemma secrecy:
    "All U nonce #i.
        AuthenticRequest(U, nonce) @ i ==>
        not (Ex #j. K(nonce) @ j)"

end

7. التطبيقات المستقبلية

يتمتع بروتوكول قسيمة الإذن بإمكانيات كبيرة تتجاوز تطبيقات المدن الذكية:

• أنظمة الرعاية الصحية: الوصول الآمن لبيانات المرضى عبر مقدمي خدمات متعددين
• الخدمات المالية: المصادقة عبر المؤسسات دون مشاركة البيانات
• شبكات إنترنت الأشياء: المصادقة القابلة للتطوير للأجهزة المحدودة الموارد
• الهوية الرقمية: بطاقات الهوية الرقمية الصادرة عن الحكومة مع الحفاظ على الخصوصية

تشمل اتجاهات البحث المستقبلية:

• التكامل مع تقنية البلوك تشين للثقة اللامركزية
• البدائيات التشفيرية المقاومة للحوسبة الكمومية
• كشف الشذوذ القائم على التعلم الآلي
• التحقق الرسمي من تركيبات البروتوكولات

8. التحليل الأصلي

يمثل التحقق الرسمي من بروتوكول قسيمة الإذن معلماً مهماً في تطبيق الأساليب الرياضية على الأمن السيبراني. يوضح هذا العمل كيف يمكن للأساليب الرسمية، وخاصة أداة Tamarin Prover، أن توفر ضمانات أمنية صارمة لبروتوكولات المصادقة في بيئات المدن الذكية. يتناول تصميم البروتوكول المخاوف الحرجة المتعلقة بالخصوصية من خلال نهجه القائم على القسائم، والذي يحد من تعرض البيانات الشخصية مع الحفاظ على مصادقة قوية.

مقارنة بطرق المصادقة التقليدية مثل OAuth 2.0 و SAML، يقدم بروتوكول قسيمة الإذن خصائص خصوصية فائقة من خلال تقليل ارتباط أنشطة المستخدم عبر الخدمات المختلفة. يتوافق هذا مع المبادئ الواردة في إطار "الخصوصية في مرحلة التصميم" الذي طورته آن كافوكيان، مما يضمن تضمين الخصوصية في بنية البروتوكول بدلاً من إضافتها كفكرة لاحقة. تتبع عملية التحقق الرسمي المستخدمة في هذا البحث منهجيات مشابهة لتلك المستخدمة في التحقق من TLS 1.3، كما هو موثق في عمل Karthikeyan Bhargavan وزملاؤه، مما يوضح نضج الأساليب الرسمية لتحليل البروتوكولات في العالم الحقيقي.

يمتد الإسهام التقني beyond البروتوكول المحدد إلى المنهجية نفسها. من خلال استخدام أساليب تحليل رسمية متعددة—جبر العمليات، وحساب باي، والنماذج الرمزية—يقدم الباحثون تقييماً أمنياً شاملاً. هذا النهج متعدد الجوانب حاسم، حيث يمكن للطرق المختلفة أن تكشف عن فئات مختلفة من الثغرات الأمنية. على سبيل المثال، بينما تتقن النماذج الرمزية في العثور على العيوب المنطقية، توفر النماذج الحسابية مثل تلك الموجودة في CryptoVerif ضمانات أقوى حول تنفيذات التشفير.

تقدم النتائج التجريبية التي تظهر التحقق الناجح من جميع خصائص الأمان الحرجة ضد خصم Dolev-Yao دليلاً قوياً على متانة البروتوكول. ومع ذلك، كما لوحظ في تحليل بروتوكولات مماثلة مثل Signal بواسطة Tilman Frosch وزملاؤه، فإن التحقق الرسمي لا يلغي جميع المخاطر—فالعيوب التنفيذية وهجمات القنوات الجانبية تظل مصدر قلق. يجب أن يتناول العمل المستقبلي هذه الجوانب من خلال التحليل الأمني الرسمي والعملي المشترك.

يساهم هذا البحث في مجموعة الأدلة المتزايدة، كما يظهر في مشاريع مثل كومة HTTPS المُتحقق منها Everest، على أن الأساليب الرسمية أصبحت عملية لأنظمة العالم الحقيقي الحرجة أمنياً. يمثل التحقق من بروتوكول قسيمة الإذن خطوة مهمة نحو الأمن المضمون رياضياً في بيئاتنا الحضرية المتصلة بشكل متزايد.

9. المراجع

1. Reaz, K., & Wunder, G. (2024). Formal Verification of Permission Voucher Protocol. arXiv:2412.16224
2. Bhargavan, K., et al. (2017). Formal Verification of TLS 1.3 Full Handshake. Proceedings of the ACM Conference on Computer and Communications Security.
3. Blanchet, B. (2016). Modeling and Verifying Security Protocols with the Applied Pi Calculus and ProVerif. Foundations and Trends in Privacy and Security.
4. Frosch, T., et al. (2016). How Secure is TextSecure? IEEE European Symposium on Security and Privacy.
5. Dolev, D., & Yao, A. (1983). On the Security of Public Key Protocols. IEEE Transactions on Information Theory.
6. Zhu, J.-Y., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV.
7. Schmidt, B., et al. (2018). The Tamarin Prover for Security Protocol Analysis. International Conference on Computer Aided Verification.