تأیید صوری پروتکل ووچر مجوز: تحلیل امنیتی و پیاده‌سازی

فهرست مطالب

1. مقدمه

پروتکل ووچر مجوز نشان‌دهنده پیشرفت قابل‌توجهی در احراز هویت محافظت‌شده از حریم خصوصی برای زیرساخت شهرهای هوشمند است. این پروتکل احراز هویت امن را با استفاده از کارت‌های شناسایی دیجیتال امکان‌پذیر می‌کند و در عین حال حریم خصوصی کاربر را حفظ کرده و از دسترسی غیرمجاز جلوگیری می‌کند. طراحی پروتکل چالش‌های امنیتی حیاتی در اکوسیستم‌های دیجیتال شهری را مورد توجه قرار می‌دهد که در آن‌ها خدمات متعدد نیاز به دسترسی احراز هویت شده دارند بدون اینکه داده‌های کاربر به خطر بیفتد.

تأیید صوری اطمینان ریاضی در مورد ویژگی‌های امنیتی فراهم می‌کند و آن را برای سیستم‌های زیرساخت حیاتی ضروری می‌سازد. برخلاف روش‌های تست سنتی که فقط می‌توانند وجود خطاها را اثبات کنند، روش‌های صوری می‌توانند عدم وجود آن‌ها را تحت شرایط مشخص شده اثبات کنند. این مقاله از Tamarin Prover برای تأیید ویژگی‌های احراز هویت، محرمانگی، یکپارچگی و جلوگیری از تکرار استفاده می‌کند.

2. روش‌های تحلیل صوری

2.1 جبر فرآیند

جبر فرآیند یک چارچوب ریاضی برای مدل‌سازی سیستم‌های همزمان و پروتکل‌های امنیتی فراهم می‌کند. این روش فرآیندها را به عنوان عبارات جبری با عملگرهایی برای ترکیب و دستکاری نشان می‌دهد. عملگرهای کلیدی شامل موارد زیر هستند:

• ترکیب موازی ($P \parallel Q$) برای اجرای همزمان
• ترکیب ترتیبی ($P.Q$) برای اجرای منظم
• عملگر انتخاب ($P + Q$) برای انتخاب غیرقطعی
• محدودیت ($\nu x.P$) برای محدود کردن دامنه

ویژگی‌های امنیتی با استفاده از هم‌ارزی شبیه‌سازی تأیید می‌شوند، جایی که $P \sim Q$ نشان می‌دهد که فرآیندهای P و Q توسط هیچ ناظر خارجی قابل تشخیص نیستند. این اطمینان می‌دهد که مهاجمان نمی‌توانند بین اجراهای مختلف پروتکل تمایز قائل شوند.

2.2 محاسبات پی

محاسبات پی جبر فرآیند را با ویژگی‌های تحرک گسترش می‌دهد و آن را برای مدل‌سازی پروتکل‌های امنیتی پویا ایده‌آل می‌سازد. محاسبات پی کاربردی ابتدای رمزنگاری را از طریق نمادهای تابع دربرمی‌گیرد:

نحو پایه شامل موارد زیر است:

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

عملگر تکثیر (!$P$) امکان مدل‌سازی تعداد نامحدودی از جلسات پروتکل را فراهم می‌کند، در حالی که محدودیت ($(\nu x)P$) تولید نام تازه برای nonceها و کلیدها را مدل می‌کند.

2.3 مدل‌های نمادین

مدل‌های نمادین جزئیات محاسباتی را انتزاع می‌کنند و بر دستکاری نمادین پیام‌ها تمرکز می‌کنند. مدل مهاجم Dolev-Yao رمزنگاری کامل را فرض می‌کند اما اجازه رهگیری، تغییر و تولید پیام را می‌دهد. پیام‌ها به عنوان عبارت در یک جبر آزاد نمایش داده می‌شوند:

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

تأیید شامل نشان دادن این است که برای تمام رفتارهای ممکن مهاجم، ویژگی‌های امنیتی مطلوب برقرار هستند. این کار معمولاً از طریق حل محدودیت یا بررسی مدل انجام می‌شود.

3. مقایسه ابزارهای تأیید

4. پیاده‌سازی فنی

4.1 مبانی ریاضی

تحلیل امنیتی بر روش‌های صوری از منطق محاسباتی متکی است. ویژگی احراز هویت به صورت زیر صوری‌سازی می‌شود:

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

محرمانگی با استفاده از چارچوب غیرقابل تشخیص بودن بیان می‌شود:

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

جایی که $\lambda$ پارامتر امنیتی است.

4.2 مشخصات پروتکل

پروتکل ووچر مجوز شامل سه طرف است: کاربر (U)، ارائه‌دهنده خدمات (SP) و سرور احراز هویت (AS). جریان پروتکل:

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. نتایج تجربی

تأیید صوری با استفاده از Tamarin Prover با موفقیت تمام ویژگی‌های امنیتی حیاتی را تأیید کرد:

فرآیند تأیید 15,234 حالت و 89,567 انتقال در فضای حالت پروتکل را تحلیل کرد. هیچ مثال متقابلی برای ویژگی‌های امنیتی مشخص شده یافت نشد که اطمینان بالایی در امنیت پروتکل فراهم می‌کند.

6. پیاده‌سازی کد

در زیر یک مشخصات ساده‌شده Tamarin Prover برای ویژگی احراز هویت آمده است:

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. کاربردهای آینده

پروتکل ووچر مجوز پتانسیل قابل‌توجهی فراتر از کاربردهای شهر هوشمند دارد:

• سیستم‌های بهداشت و درمان: دسترسی امن به داده‌های بیمار در بین ارائه‌دهندگان متعدد
• خدمات مالی: احراز هویت بین‌سازمانی بدون اشتراک‌گذاری داده
• شبکه‌های اینترنت اشیاء: احراز هویت مقیاس‌پذیر برای دستگاه‌های محدود
• هویت دیجیتال: شناسه‌های دیجیتال صادر شده توسط دولت با حفظ حریم خصوصی

جهت‌های تحقیقاتی آینده شامل موارد زیر هستند:

• ادغام با بلاکچین برای اعتماد غیرمتمرکز
• ابتدای رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم
• تشخیص ناهنجاری مبتنی بر یادگیری ماشین
• تأیید صوری ترکیبات پروتکل

8. تحلیل اصلی

تأیید صوری پروتکل ووچر مجوز نشان‌دهنده یک نقطه عطف قابل‌توجه در کاربرد روش‌های ریاضی در امنیت سایبری است. این کار نشان می‌دهد که چگونه روش‌های صوری، به ویژه Tamarin Prover، می‌توانند تضمین‌های امنیتی دقیقی برای پروتکل‌های احراز هویت در محیط‌های شهر هوشمند فراهم کنند. طراحی پروتکل نگرانی‌های حیاتی حریم خصوصی را از طریق رویکرد مبتنی بر ووچر مورد توجه قرار می‌دهد که در معرض قرارگیری داده‌های شخصی را محدود می‌کند در حالی که احراز هویت قوی را حفظ می‌کند.

در مقایسه با روش‌های احراز هویت سنتی مانند OAuth 2.0 و SAML، پروتکل ووچر مجوز ویژگی‌های حریم خصوصی برتری را با به حداقل رساندن همبستگی فعالیت‌های کاربر در بین خدمات مختلف ارائه می‌دهد. این با اصول ارائه شده در چارچوب "حریم خصوصی توسط طراحی" توسعه یافته توسط Ann Cavoukian همسو است و اطمینان می‌دهد که حریم خصوصی در معماری پروتکل تعبیه شده است به جای اینکه به عنوان یک فکر بعدی اضافه شود. فرآیند تأیید صوری به کار گرفته شده در این تحقیق از روش‌شناسی‌های مشابه با آن‌هایی که در تأیید TLS 1.3 استفاده شده‌اند، همانطور که در کار Karthikeyan Bhargavan و همکاران مستند شده است، پیروی می‌کند و بلوغ روش‌های صوری برای تحلیل پروتکل دنیای واقعی را نشان می‌دهد.

مشارکت فنی فراتر از پروتکل خاص به روش‌شناسی خود گسترش می‌یابد. با به کارگیری چندین رویکرد تحلیل صوری—جبر فرآیند، محاسبات پی و مدل‌های نمادین—محققان یک ارزیابی امنیتی جامع ارائه می‌دهند. این رویکرد چندوجهی حیاتی است، زیرا روش‌های مختلف می‌توانند کلاس‌های مختلف آسیب‌پذیری‌ها را آشکار کنند. برای مثال، در حالی که مدل‌های نمادین در یافتن نقص‌های منطقی عالی هستند، مدل‌های محاسباتی مانند آن‌هایی که در CryptoVerif وجود دارند تضمین‌های قوی‌تری در مورد پیاده‌سازی‌های رمزنگاری ارائه می‌دهند.

نتایج تجربی که تأیید موفقیت‌آمیز تمام ویژگی‌های امنیتی حیاتی در برابر یک مهاجم Dolev-Yao را نشان می‌دهند، شواهد قوی از استحکام پروتکل فراهم می‌کنند. با این حال، همانطور که در تحلیل پروتکل‌های مشابه مانند Signal توسط Tilman Frosch و همکاران اشاره شده است، تأیید صوری تمام ریسک‌ها را حذف نمی‌کند—نقص‌های پیاده‌سازی و حملات کانال جانبی نگرانی‌هایی باقی می‌مانند. کار آینده باید این جنبه‌ها را از طریق تحلیل امنیتی ترکیبی صوری و عملی مورد توجه قرار دهد.

این تحقیق به مجموعه شواهد رو به رشد، همانطور که در پروژه‌هایی مانند پشته HTTPS تأیید شده Everest دیده می‌شود، کمک می‌کند که روش‌های صوری در حال عملی شدن برای سیستم‌های بحرانی امنیتی دنیای واقعی هستند. تأیید پروتکل ووچر مجوز نشان‌دهنده یک گام مهم به سوی امنیت تضمین شده ریاضی در محیط‌های شهری به طور فزاینده متصل ما است.

9. مراجع

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.