基于SM2数字签名的区块链匿名密钥交换协议

区块链技术因其去中心化、匿名性、不可篡改、不可伪造等优点, 已经成为我国的一项前沿技术, 在各领域得到广泛的应用。虽然用户可利用区块链发布匿名交易, 有效隐藏交易双方的身份信息, 但双方交易完成后传输交易相关数据可能破坏匿名性。这是因为在数据传输过程中, 为了保证双方通信安全, 往往使用认证密钥交换协议认证双方身份, 计算会话密钥建立安全信道。由于传统的认证密钥交换协议涉及双方的长期公私钥对信息, 所以将泄露交易双方的身份信息。虽然区块链匿名密钥交换可基于交易双方的历史链上交易完成密钥交换, 有效保障交易双方的匿名性, 但现有区块链匿名密钥交换协议主要基于国外密码算法设计, 难以适用于国产区块链平台, 不符合我国密码核心技术自主可控的要求。为丰富国产商用密码算法在区块链匿名密钥交换方面的研究, 满足区块链交易后双方匿名安全通信的需求, 本文以 SM2 数字签名算法和区块链为基础, 构造非交互式和交互式两种区块链匿名密钥交换协议。并在 CK 安全模型中证明非交互式的协议满足会话密钥安全, 交互式的协议满足有前向安全性的会话密钥安全。最后通过理论分析和编程实现结果表明, 本文协议在没有比现有协议消耗更多的计算开销与通信代价的前提下, 可适用于国产化区块链平台。     

一个适用于分布式入侵检测系统的安全通信协议

分布式入侵检测系统的模块间需要进行安全通信，但是目前存在的安全通信协议不能充分保证系统通信的安全性。为满足入侵检测系统中模块问通信可靠、机密、身份认证、数据完整及新鲜的需求，该文提出了一个基于TCP协议的模块间传输安全（MTS）协议。MTS协议由握手子协议和密文传输子协议构成，前者用于协商会话密钥及通信双方的身份认证，后者则使用协商的会话密钥实现数据的安全传输。最后验证了MTS协议的安全性，并在开放的分布式入侵检测系统（ODIDS）中实现了该协议。     

基于IBC的TLS握手协议设计与分析

为了克服当前广泛使用的传输层安全协议存在的证书管理复杂和握手延迟高的缺点,通过分析基于身份的密码体制的特点,设计了使用基于身份的加密方案的握手协议,以及适合双向认证条件的使用基于身份的认证的密钥协商方案的握手协议。安全性分析和性能仿真实验结果表明,在同等安全强度下,与基于证书的方案相比,基于IBC的握手协议具有相称的密码算法处理开销,但是减少了协议通信量,明显降低了握手延迟,提高了协议的运行效率。     

基于身份的无线传输层安全握手协议改进方案

现有无线传输层安全(WTLS)协议主要基于数字证书构建,存在通信与计算开销较大、未对服务器证书的有效性进行在线验证等不足。以基于身份的密码体制思想,综合运用基于身份的加密(IBE)、基于身份的签名(IBS)及基于身份的密钥协商(IBAKA)等机制,提出了一种基于身份的密码系统(IBC)的WTLS改进协议。改进协议以身份标识为核心,以传递身份标识代替传递证书,使用IBE、IBS及IBAKA分别完成加密、签名及密钥协商等操作,并在密钥计算中融入了加密者的身份信息,使得密文具有消息源的可认证性。对改进协议的安全性及效率的分析表明,改进协议在确保安全的前提下降低了通信开销。     

基于SM2的标识认证密钥交换协议

会话密钥(Session Secret Key,SSK)可在远程实现各方之间的安全通信,在实际的开放网络部署中具有重要地位。传统SSK主要是基于公钥基础设施的认证密钥交换(Authenticated Key Exchange,AKE)协议构建的,因涉及证书的颁发、更新、撤销等繁琐操作,面临昂贵的计算、通信和存储开销。虽然基于标识(Identity,ID)的AKE (ID-AKE)协议可解决这个问题,但目前的大部分ID-AKE协议均基于国外密码算法设计,尚未见基于国产商用密码算法的ID-AKE协议在国内外刊物上正式发表,不符合我国密码核心技术自主可控的要求。SM2认证密钥交换(Authenticated Key Exchange From SM2,SM2-AKE)协议因具有高安全和高效率的特性,在商用密码中得到广泛应用。但证书管理开销问题仍未被解决,这将极大限制了SM2-AKE协议的应用与推广。文章于标识密码(Identity-based Cryptography,IBC)体系下采用类Schnorr签名密钥生成方法,基于SM2设计了一种标识认证密钥交换(SM2-ID-AKE)协议,并在CDH安全假设和随机谕言模型下证明了该协议的安全性。最后的理论分析和仿真实验结果表明,与现有的ID-AKE协议相比,文章协议至少节省66.67%的通信带宽和34.05%的计算开销,有效降低和减轻了系统的代价和负担,更能够适应网络通讯部署等领域下不同用户的安全通信服务需求。     

一种轻量级基于证书的认证密钥协商方案

认证密钥协议对于在公共网络上安全通信至关重要,它使通信方能够在恶意攻击者当前安全地设置共享会话密钥.基于证书的密码学(CBC)很好地解决了传统公钥密码体制中的证书撤销问题、基于身份的密码体制中的密钥托管问题和无证书密码体制中安全信道建立困难问题.现有的基于证书认证密钥协商方案大多都采用了昂贵的双线性配对,不适合计算资源有限的移动设备.本文设计了一种轻量级的基于证书的AKA协议,该协议用假名技术实现用户身份匿名.该协议提供了前向保密,抵抗中间人攻击,重放攻击等安全性分析.与以往基于证书的AKA协议相比,该协议在计算效率上具有明显的优势.     

移动通信系统中的认证与密钥协商协议

提出了一种新的身份认证与密钥协商协议,该协议可以实现通信双方的相互认证,并通过协商产生安全的会话密钥。协议将对称密码体制和非对称密码体制有机地结合起来,非对称密码体制采用密钥比特少且安全性高的椭圆曲线密码体制。经过性能分析,该协议安全、有效,比较适合在移动通信系统中使用。     

公平认证密钥交换协议的安全模型与模块化设计

传统的密钥交换协议通常假定合法通信双方都是可信的,然而很多现实应用都要求通信双方在互不信任的环境中执行认证密钥交换协议,为此本文提出了公平认证密钥交换(FAKE)的思想:除了具有一般认证密钥交换协议的基本特点外,通过客户在协议会话中预先植入"会话证据",使得在不揭示会话证据的前提下,合法通信双方均可以否认会话的发生;一旦客户方揭示会话证据,则协议会话记录就会与通信双方的身份绑定.该思想为解决网络服务中保护个人隐私与处理网络服务纠纷的矛盾提供了一种切实可行的技术解决思路.文中系统规划了公平认证密钥交换协议的形式化安全模型,纠正了Kudla关于并发签名公平性安全模型存在的错误之处,利用并发签名具体构造了一个公平认证密钥交换协议,并在随机预言模型(ROM)中证明了该协议满足mBJM-AK安全性、条件可否认性以及公平性.     

可证明安全的无双线性对无证书可信接入认证协议

提出一种无双线性对无证书的WLAN可信接入认证协议CTAPwoP.该协议以可信网络连接架构的基本思想为基础,将平台身份认证和平台完整性校验与用户身份认证过程巧妙结合,使得新协议仅需3轮交互就能实现站点(station,STA)与接入点(access point,AP)之间的双向身份认证和单播会话密钥的协商,同时实现AS对STA的平台身份认证和平台完整性校验.为进一步提高性能,该协议利用椭圆曲线上的点乘运算替换了传统无证书公钥密码体制中复杂的双线性对运算.安全性分析表明,该协议在高安全强度的eCK(extended Canetti-Krawczyk)模型下是安全的;性能分析表明:与IEEE802.11i的接入认证方案相比,该协议在计算开销和通信负载方面性能优势明显.     

基于OpenSSL的安全协议SSL的应用

介绍SSL安全协议的组成部分以及实现原理,分析SSL的握手过程,并对其安全性进行分析。使用ApacheWeb服务器和开源软件OpenSSL在Linux环境下为通信双方建立证书、协商密钥,实现安全通信。     

On improving resistance to Denial of Service and key provisioning scalability of the DTLS handshake

DTLS is a transport layer security protocol designed to provide secure communication over unreliable datagram protocols. Before starting to communicate, a DTLS client and server perform a specific handshake in order to establish a secure session and agree on a common security context. However, the DTLS handshake is affected by two relevant issues. First, the DTLS server is vulnerable to a specific Denial of Service (DoS) attack aimed at forcing the establishment of several half-open sessions. This may exhaust memory and network resources on the server, so making it less responsive or even unavailable to legitimate clients. Second, although it is one of the most efficient key provisioning approaches adopted in DTLS, the pre-shared key provisioning mode does not scale well with the number of clients, it may result in scalability issues on the server side, and it complicates key re-provisioning in dynamic scenarios. This paper presents a single and efficient security architecture which addresses both issues, by substantially limiting the impact of DoS, and reducing the number of keys stored on the server side to one unit only. Our approach does not break the existing standard and does not require any additional message exchange between DTLS client and server. Our experimental results show that our approach requires a shorter amount of time to complete a handshake execution and consistently reduces the time a DTLS server is exposed to a DoS instance. We also show that it considerably improves a DTLS server in terms of service availability and robustness against DoS attack.     

Key-exchange authentication using shared secrets

Transport Layer Security standard provides connection security with peer entity authentication, data confidentiality and integrity, key generation and distribution, and security parameters negotiation. Its native integration in browsers and Web servers makes TLS the most frequently deployed security protocol. The TLS specifications use public-key certificates for mutual authentication and key establishment. We extend the TLS protocol with a new authentication scheme based on an out-of-band shared secret. Our extension, the TLS key-exchange method (KEM), ensures an end-to-end authenticated session-key exchange and allows identity protection, perfect forward secrecy (PFS), and anonymity. Furthermore, it reduces message flow and thus bandwidth on both wired and wireless networks.     

大规模延迟容忍网络中基于分级身份的认证密钥协商协议

大规模延迟容忍网络具有覆盖范围广、链路间歇性连通及通信时延长等特点, 这使得现有认证密钥协商协议存在系统管理瓶颈及通信时延长等问题。设计了一种适用于大规模延迟容忍网络环境下的认证密钥协商协议, 依赖基于分级身份的密码机制, 通过密钥分级派生, 减少系统管理瓶颈, 同时消除对证书的依赖, 减少协商时延。与现有通用环境下基于分级身份的同类协议相比, 该协议的通信开销及双线性对计算开销较小, 且均为常量, 不受节点层次数影响, 可扩展性更强, 并且具有密钥派生控制功能。最后, 在标准模型下证明了协议的安全性。     

基于串空间认证测试的DTLS协议认证性分析

网络通信的普及和发展使得对网络协议尤其是安全协议的需求日益增长,同时安全要求及攻击方式的多样化对网络安全协议的效率和准确性提出了更高的要求。通过对各种协议安全性分析方法进行研究,采用串空间方法对DTLS协议进行形式化建模,进而采用认证测试方法进行协议认证性证明,用简明清晰的方式验证DTLS协议的认证性,保障了数据传输的安全。     

一种快速TLS握手协议分析与实现

介绍了一种快速的TLS握手协议。这种协议通过在客户端缓存服务器端配置及初始会话时建立的各种协商参数，从而减少了以后会话协商时的通信流量。它在具有高延迟网络环境中更加有用。这种协议也提供对标准的TLS握手协议兼容。     

End-to-end security scheme for mobility enabled healthcare Internet of Things

We propose an end-to-end security scheme for mobility enabled healthcare Internet of Things (IoT). The proposed scheme consists of (i) a secure and efficient end-user authentication and authorization architecture based on the certificate based DTLS handshake, (ii) secure end-to-end communication based on session resumption, and (iii) robust mobility based on interconnected smart gateways. The smart gateways act as an intermediate processing layer (called fog layer) between IoT devices and sensors (device layer) and cloud services (cloud layer). In our scheme, the fog layer facilitates ubiquitous mobility without requiring any reconfiguration at the device layer. The scheme is demonstrated by simulation and a full hardware/software prototype. Based on our analysis, our scheme has the most extensive set of security features in comparison to related approaches found in literature. Energy-performance evaluation results show that compared to existing approaches, our scheme reduces the communication overhead by 26% and the communication latency between smart gateways and end users by 16%. In addition, our scheme is approximately 97% faster than certificate based and 10% faster than symmetric key based DTLS. Compared to our scheme, certificate based DTLS consumes about 2.2 times more RAM and 2.9 times more ROM resources. On the other hand, the RAM and ROM requirements of our scheme are almost as low as in symmetric key-based DTLS. Analysis of our implementation revealed that the handover latency caused by mobility is low and the handover process does not incur any processing or communication overhead on the sensors.     

SecureSense: End-to-end secure communication architecture for the cloud-connected Internet of Things

Constrained Application Protocol (CoAP) has become the de-facto web standard for the IoT. Unlike traditional wireless sensor networks, Internet-connected smart thing deployments require security. CoAP mandates the use of the Datagram TLS (DTLS) protocol as the underlying secure communication protocol. In this paper we implement DTLS-protected secure CoAP for both resource-constrained IoT devices and a cloud backend and evaluate all three security modes (pre-shared key, raw-public key, and certificate-based) of CoAP in a real cloud-connected IoT setup. We extend Sics^thSense– a cloud platform for the IoT– with secure CoAP capabilities, and compliment a DTLS implementation for resource-constrained IoT devices with raw-public key and certificate-based asymmetric cryptography. To the best of our knowledge, this is the first effort toward providing end-to-end secure communication between resource-constrained smart things and cloud back-ends which supports all three security modes of CoAP both on the client side and the server side. SecureSense– our End-to-End (E2E) secure communication architecture for the IoT– consists of all standard-based protocols, and implementation of these protocols are open source and BSD-licensed. The SecureSense evaluation benchmarks and open source and open license implementation make it possible for future IoT product and service providers to account for security overhead while using all standardized protocols and while ensuring interoperability among different vendors. The core contributions of this paper are: (i) a complete implementation for CoAP security modes for E2E IoT security,  (ii) IoT security and communication protocols for a cloud platform for the IoT, and (iii) detailed experimental evaluation and benchmarking of E2E security between a network of smart things and a cloud platform.     

TLS1.3后量子安全迁移方案、实现和性能评测

本文分析了NIST量子安全标准化进程第二轮和中国密码算法设计竞赛获奖的格基后量子密码算法,并从性能、安全级别和消息长度等方面对它们进行了比较;探讨了将这些算法集成到TLS 1.3的可行性和途径,通过将后量子密钥封装算法和签名算法及其混合模式集成到标准TLS 1.3,我们实现了一个后量子安全TLS 1.3软件库,可以进行后量子安全握手以对抗量子对手.此外,我们构建了一个测试TLS 1.3协议在各种网络条件下性能的实验框架,允许我们独立控制链路延迟和丢包率等变量,隔离出单独的网络特性,从而在一台电脑上模拟客户机-服务器网络实验,检查各种后量子算法对建立TLS 1.3连接产生的影响.实验结果表明,TCP的分段机制可以保证具有超长公钥/密文/签名的后量子格基密码算法在TLS 1.3协议正常运行;尽管网络延迟会隐藏大部分后量子算法的性能差异,但是在高质量的链路上,计算速度是决定因素;当网络丢包率较大时,具有较短传输数据的后量子算法将展现出带宽优势.我们的实验结果也为在不同网络条件下如何选择后量子算法提供指导,有助于将后量子算法进一步标准化和将TLS 1.3向后量子安全发展和迁移.     

TLS1.3后量子安全迁移方案、实现和性能评测

本文分析了NIST量子安全标准化进程第二轮和中国密码算法设计竞赛获奖的格基后量子密码算法,并从性能、安全级别和消息长度等方面对它们进行了比较;探讨了将这些算法集成到TLS 1.3的可行性和途径,通过将后量子密钥封装算法和签名算法及其混合模式集成到标准TLS 1.3,我们实现了一个后量子安全TLS 1.3软件库,可以进行后量子安全握手以对抗量子对手.此外,我们构建了一个测试TLS 1.3协议在各种网络条件下性能的实验框架,允许我们独立控制链路延迟和丢包率等变量,隔离出单独的网络特性,从而在一台电脑上模拟客户机-服务器网络实验,检查各种后量子算法对建立TLS 1.3连接产生的影响.实验结果表明,TCP的分段机制可以保证具有超长公钥/密文/签名的后量子格基密码算法在TLS 1.3协议正常运行;尽管网络延迟会隐藏大部分后量子算法的性能差异,但是在高质量的链路上,计算速度是决定因素;当网络丢包率较大时,具有较短传输数据的后量子算法将展现出带宽优势.我们的实验结果也为在不同网络条件下如何选择后量子算法提供指导,有助于将后量子算法进一步标准化和将TLS 1.3向后量子安全发展和迁移.