পারমিশন ভাউচার প্রোটোকলের আনুষ্ঠানিক যাচাইকরণ: নিরাপত্তা বিশ্লেষণ ও বাস্তবায়ন

সূচিপত্র

1. ভূমিকা

পারমিশন ভাউচার প্রোটোকল স্মার্ট সিটি অবকাঠামোর জন্য গোপনীয়তা-সংরক্ষণকারী প্রমাণীকরণে একটি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি উপস্থাপন করে। এই প্রোটোকল ব্যবহারকারীর গোপনীয়তা বজায় রাখার পাশাপাশি অননুমোদিত অ্যাক্সেস রোধ করে ডিজিটাল আইডি কার্ড ব্যবহার করে নিরাপদ প্রমাণীকরণ সক্ষম করে। প্রোটোকলের নকশা নগর ডিজিটাল ইকোসিস্টেমে গুরুত্বপূর্ণ নিরাপত্তা চ্যালেঞ্জগুলি সমাধান করে যেখানে একাধিক পরিষেবার জন্য ব্যবহারকারীর ডেটা ছাড়াই প্রমাণীকৃত অ্যাক্সেসের প্রয়োজন হয়।

আনুষ্ঠানিক যাচাইকরণ নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্যগুলি সম্পর্কে গাণিতিক নিশ্চয়তা প্রদান করে, যা গুরুত্বপূর্ণ অবকাঠামো সিস্টেমের জন্য অপরিহার্য করে তোলে। ঐতিহ্যগত পরীক্ষার পদ্ধতিগুলির বিপরীতে যা শুধুমাত্র বাগের উপস্থিতি প্রমাণ করতে পারে, আনুষ্ঠানিক পদ্ধতিগুলি নির্দিষ্ট শর্তে তাদের অনুপস্থিতি প্রমাণ করতে পারে। এই গবেষণাপত্রটি প্রমাণীকরণ, গোপনীয়তা, অখণ্ডতা এবং পুনরায় চালানো প্রতিরোধ বৈশিষ্ট্যগুলি যাচাই করতে ট্যামারিন প্রুভার ব্যবহার করে।

2. আনুষ্ঠানিক বিশ্লেষণ পদ্ধতি

2.1 প্রসেস অ্যালজেব্রা

প্রসেস অ্যালজেব্রা সমবর্তী সিস্টেম এবং নিরাপত্তা প্রোটোকল মডেলিংয়ের জন্য একটি গাণিতিক কাঠামো প্রদান করে। এটি রচনা এবং ম্যানিপুলেশনের জন্য অপারেটর সহ বীজগাণিতিক এক্সপ্রেশন হিসাবে প্রক্রিয়াগুলিকে উপস্থাপন করে। মূল অপারেটরগুলির মধ্যে রয়েছে:

• সমবর্তী এক্সিকিউশনের জন্য সমান্তরাল রচনা ($P \parallel Q$)
• অর্ডারড এক্সিকিউশনের জন্য অনুক্রমিক রচনা ($P.Q$)
• অ-নির্ধারিত নির্বাচনের জন্য পছন্দ অপারেটর ($P + Q$)
• স্কোপ সীমাবদ্ধতার জন্য বিধিনিষেধ ($\nu x.P$)

নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্যগুলি বিসিমুলেশন সমতা ব্যবহার করে যাচাই করা হয়, যেখানে $P \sim Q$ নির্দেশ করে যে প্রক্রিয়া P এবং Q কোনো বাহ্যিক পর্যবেক্ষক দ্বারা আলাদা করা যায় না। এটি নিশ্চিত করে যে প্রতিপক্ষ বিভিন্ন প্রোটোকল এক্সিকিউশনের মধ্যে পার্থক্য করতে পারে না।

2.2 পাই ক্যালকুলাস

পাই ক্যালকুলাস গতিশীলতা বৈশিষ্ট্য সহ প্রসেস অ্যালজেব্রাকে প্রসারিত করে, এটিকে গতিশীল নিরাপত্তা প্রোটোকল মডেলিংয়ের জন্য আদর্শ করে তোলে। প্রয়োগকৃত পাই ক্যালকুলাস ফাংশন চিহ্নের মাধ্যমে ক্রিপ্টোগ্রাফিক আদিমগুলি অন্তর্ভুক্ত করে:

মৌলিক সিনট্যাক্স অন্তর্ভুক্ত করে:

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

প্রতিলিপি অপারেটর (!$P$) প্রোটোকল সেশনের একটি সীমাহীন সংখ্যা মডেলিং করার অনুমতি দেয়, যখন বিধিনিষেধ ($(\nu x)P$) ননস এবং কীগুলির জন্য নতুন নাম তৈরির মডেল করে।

2.3 সিম্বোলিক মডেল

সিম্বোলিক মডেলগুলি গণনামূলক বিবরণকে বিমূর্ত করে, বার্তার প্রতীকী ম্যানিপুলেশনে ফোকাস করে। ডোলেভ-ইয়াও প্রতিপক্ষ মডেল নিখুঁত ক্রিপ্টোগ্রাফি ধরে নেয় কিন্তু বার্তা আটক, পরিবর্তন এবং উৎপাদনের অনুমতি দেয়। বার্তাগুলি একটি মুক্ত বীজগণিতে পদ হিসাবে উপস্থাপিত হয়:

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

যাচাইকরণে দেখানো জড়িত যে সমস্ত সম্ভাব্য প্রতিপক্ষ আচরণের জন্য, কাঙ্খিত নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্যগুলি ধারণ করে। এটি সাধারণত সীমাবদ্ধতা সমাধান বা মডেল চেকিংয়ের মাধ্যমে করা হয়।

3. যাচাইকরণ টুলের তুলনা

4. প্রযুক্তিগত বাস্তবায়ন

4.1 গাণিতিক ভিত্তি

নিরাপত্তা বিশ্লেষণ কম্পিউটেশনাল লজিক থেকে আনুষ্ঠানিক পদ্ধতির উপর নির্ভর করে। প্রমাণীকরণ বৈশিষ্ট্যটি আনুষ্ঠানিকভাবে প্রকাশ করা হয়:

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

গোপনীয়তা অপ্রত্যয়িত কাঠামো ব্যবহার করে প্রকাশ করা হয়:

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

যেখানে $\lambda$ হল নিরাপত্তা প্যারামিটার।

4.2 প্রোটোকল স্পেসিফিকেশন

পারমিশন ভাউচার প্রোটোকলে তিনটি পক্ষ জড়িত: ব্যবহারকারী (U), পরিষেবা প্রদানকারী (SP), এবং প্রমাণীকরণ সার্ভার (AS)। প্রোটোকল ফ্লো:

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. পরীক্ষামূলক ফলাফল

ট্যামারিন প্রুভার ব্যবহার করে আনুষ্ঠানিক যাচাইকরণ সমস্ত সমালোচনামূলক নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্য সফলভাবে যাচাই করেছে:

যাচাইকরণ প্রক্রিয়াটি প্রোটোকল স্টেট স্পেসে ১৫,২৩৪টি স্টেট এবং ৮৯,৫৬৭টি ট্রানজিশন বিশ্লেষণ করেছে। নির্দিষ্ট নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্যগুলির জন্য কোনো কাউন্টারএক্সাম্পল পাওয়া যায়নি, যা প্রোটোকলের নিরাপত্তায় উচ্চ আত্মবিশ্বাস প্রদান করে।

6. কোড বাস্তবায়ন

নিচে প্রমাণীকরণ বৈশিষ্ট্যের জন্য একটি সরলীকৃত ট্যামারিন প্রুভার স্পেসিফিকেশন দেওয়া হল:

theory PermissionVoucher
begin

// বিল্ট-ইন টাইপ এবং ফাংশন
builtins: symmetric-encryption, signing, hashing

// প্রোটোকল নিয়ম
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) ]->
    [ ]

// নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্য
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. ভবিষ্যতের প্রয়োগ

পারমিশন ভাউচার প্রোটোকলের স্মার্ট সিটি অ্যাপ্লিকেশনের বাইরেও উল্লেখযোগ্য সম্ভাবনা রয়েছে:

• স্বাস্থ্যসেবা সিস্টেম: একাধিক প্রদানকারীর মধ্যে নিরাপদ রোগীর ডেটা অ্যাক্সেস
• আর্থিক পরিষেবা: ডেটা শেয়ারিং ছাড়াই ক্রস-ইনস্টিটিউশনাল প্রমাণীকরণ
• আইওটি নেটওয়ার্ক: সীমিত ডিভাইসের জন্য স্কেলযোগ্য প্রমাণীকরণ
• ডিজিটাল পরিচয়: গোপনীয়তা সংরক্ষণ সহ সরকার-জারি করা ডিজিটাল আইডি

ভবিষ্যতের গবেষণার দিকনির্দেশনা অন্তর্ভুক্ত করে:

• বিকেন্দ্রীভূত বিশ্বাসের জন্য ব্লকচেইনের সাথে একীকরণ
• কোয়ান্টাম-প্রতিরোধী ক্রিপ্টোগ্রাফিক আদিম
• মেশিন লার্নিং-ভিত্তিক অস্বাভাবিকতা সনাক্তকরণ
• প্রোটোকল রচনার আনুষ্ঠানিক যাচাইকরণ

8. মূল বিশ্লেষণ

পারমিশন ভাউচার প্রোটোকলের আনুষ্ঠানিক যাচাইকরণ সাইবার নিরাপত্তায় গাণিতিক পদ্ধতির প্রয়োগের একটি উল্লেখযোগ্য মাইলফলক উপস্থাপন করে। এই কাজটি প্রদর্শন করে যে কীভাবে আনুষ্ঠানিক পদ্ধতি, বিশেষ করে ট্যামারিন প্রুভার, স্মার্ট সিটি পরিবেশে প্রমাণীকরণ প্রোটোকলগুলির জন্য কঠোর নিরাপত্তা গ্যারান্টি প্রদান করতে পারে। প্রোটোকলের নকশাটি তার ভাউচার-ভিত্তিক পদ্ধতির মাধ্যমে সমালোচনামূলক গোপনীয়তা উদ্বেগগুলি সমাধান করে, যা শক্তিশালী প্রমাণীকরণ বজায় রাখার সময় ব্যক্তিগত ডেটা এক্সপোজার সীমিত করে।

ওঅথ ২.০ এবং এসএএমএল-এর মতো ঐতিহ্যগত প্রমাণীকরণ পদ্ধতির তুলনায়, পারমিশন ভাউচার প্রোটোকল বিভিন্ন পরিষেবার মধ্যে ব্যবহারকারীর ক্রিয়াকলাপের পারস্পরিক সম্পর্ক কমিয়ে উন্নত গোপনীয়তা বৈশিষ্ট্য অফার করে। এটি অ্যান ক্যাভুকিয়ান দ্বারা উন্নত "প্রাইভেসি বাই ডিজাইন" কাঠামোতে বর্ণিত নীতিগুলির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, নিশ্চিত করে যে গোপনীয়তা প্রোটোকল আর্কিটেকচারে এম্বেড করা হয়েছে বরং পরে চিন্তা হিসাবে যোগ করা হয়নি। এই গবেষণায় ব্যবহৃত আনুষ্ঠানিক যাচাইকরণ প্রক্রিয়াটি কার্থিকেয়ান ভার্গবন এট আল.-এর কাজে নথিভুক্ত টিএলএস ১.৩ যাচাই করতে ব্যবহৃত পদ্ধতিগুলির অনুরূপ পদ্ধতি অনুসরণ করে, যা বাস্তব-বিশ্বের প্রোটোকল বিশ্লেষণের জন্য আনুষ্ঠানিক পদ্ধতির পরিপক্কতা প্রদর্শন করে।

প্রযুক্তিগত অবদান নির্দিষ্ট প্রোটোকলের বাইরেও পদ্ধতিতে প্রসারিত। একাধিক আনুষ্ঠানিক বিশ্লেষণ পদ্ধতি—প্রসেস অ্যালজেব্রা, পাই ক্যালকুলাস, এবং সিম্বোলিক মডেল—নিয়োগ করে, গবেষকরা একটি ব্যাপক নিরাপত্তা মূল্যায়ন প্রদান করেন। এই বহুমুখী পদ্ধতিটি গুরুত্বপূর্ণ, কারণ বিভিন্ন পদ্ধতি বিভিন্ন শ্রেণীর দুর্বলতা প্রকাশ করতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, যখন সিম্বোলিক মডেলগুলি যৌক্তিক ত্রুটিগুলি খুঁজে পেতে উত্কৃষ্ট, ক্রিপ্টোভেরিফ-এর মতো কম্পিউটেশনাল মডেলগুলি ক্রিপ্টোগ্রাফিক বাস্তবায়ন সম্পর্কে শক্তিশালী গ্যারান্টি প্রদান করে।

পরীক্ষামূলক ফলাফলগুলি যা ডোলেভ-ইয়াও প্রতিপক্ষের বিরুদ্ধে সমস্ত সমালোচনামূলক নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্যের সফল যাচাইকরণ দেখায়, প্রোটোকলের রোবাস্টনেসের শক্তিশালী প্রমাণ প্রদান করে। যাইহোক, টিলম্যান ফ্রোশ এট আল.-এর মতো অনুরূপ প্রোটোকলগুলির বিশ্লেষণে উল্লিখিত হিসাবে, আনুষ্ঠানিক যাচাইকরণ সমস্ত ঝুঁকি দূর করে না—বাস্তবায়ন ত্রুটি এবং সাইড-চ্যানেল আক্রমণ উদ্বেগ হিসাবে রয়ে যায়। ভবিষ্যতের কাজগুলিকে সম্মিলিত আনুষ্ঠানিক এবং ব্যবহারিক নিরাপত্তা বিশ্লেষণের মাধ্যমে এই দিকগুলি সমাধান করা উচিত।

এই গবেষণা এভারেস্ট যাচাইকৃত এইচটিটিপিএস স্ট্যাকের মতো প্রকল্পগুলিতে দেখা যায় এমন প্রমাণের ক্রমবর্ধমান সংস্থায় অবদান রাখে যে আনুষ্ঠানিক পদ্ধতিগুলি বাস্তব-বিশ্বের নিরাপত্তা-সমালোচনামূলক সিস্টেমগুলির জন্য ব্যবহারিক হয়ে উঠছে। পারমিশন ভাউচার প্রোটোকলের যাচাইকরণ আমাদের ক্রমবর্ধমান সংযুক্ত নগর পরিবেশে গাণিতিকভাবে গ্যারান্টিযুক্ত নিরাপত্তার দিকে একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ উপস্থাপন করে।

9. তথ্যসূত্র

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.