安全协议操作语义与验证

　　安全协议作为信息安全的重要基础之一，其安全属性能否达到设计者的初始目标成为一个重要研究内容，关系到依赖于协议的上层应用系统的安全性。本书的内容主要涵盖两部分：用形式化的语义定义协议的执行规格和安全属性，精确表示安全协议的安全属性；综合运用各种形式化方法设计一个高效的验证算法，在可接受的时间内验证安全属性。本书还探讨了多协议安全分析，比较分析了各种验证理论和发展趋势。

　　Cas Cremers 牛津大学信息安全领域正教授。2006 年获得荷兰艾恩德霍芬技术大学博士学位；2006 年至 2013 年，在瑞士苏黎世联邦理工学院任博士后和高级研究员；2013年开始在牛津大学任教，于2015 年成为正教授。近期他加入了位于德国的CISPA-Helmholtz中心。他擅长各种形式化理论和系统安全验证与加固，独立或与其他研究者一起开发了一系列协议验证系统，在国际上享有盛誉。Sjouke Mauw 博士，工作于卢森堡大学计算机科学与通信研究所。曾与人一起创建了荷兰埃因霍温理工大学的计算机安全研究小组，关注安全协议的形式化建模与安全属性分析。Cas Cremers 牛津大学信息安全领域正教授。2006 年获得荷兰艾恩德霍芬科技大学博士学位；2006 年至 2013 年，在瑞士苏黎世联邦理工学院任博士后和高级研究员；2013年开始在牛津大学任教，于2015 年成为正教授。近期他加入了位于德国的CISPA-Helmholtz中心。他擅长各种形式化理论和系统安全验证与加固，独立或与其他研究者一起开发了一系列协议验证系统，在国际上享有盛誉。Sjouke Mauw 博士，工作于卢森堡大学计算机科学与通信研究所。曾与人合作创建了荷兰艾恩德霍芬科技大学的计算机安全研究小组，他关注安全协议的形式化建模与安全属性分析。

第1章  背景介绍 1

1.1  历史背景 1

1.2  基于黑盒的安全协议分析 3

1.3  目的与方法 5

1.4  概要 5

1.4.1  协议分析模型 6

1.4.2  模型的应用 6

第2章  预备知识 7

2.1  集合与关系 7

2.2  巴科斯范式 8

2.3  符号变迁系统 8

第3章  操作语义 10

3.1  问题域分析 10

3.2  安全协议规范 13

3.2.1  角色项 14

3.2.2  协议规范 16

3.2.3  事件次序 18

3.3  协议执行描绘 20

3.3.1  回合 20

3.3.2  匹配 21

3.3.3  回合事件 23

3.3.4  威胁模型 24

3.4  操作语义 25

3.5  协议规范实例 27

3.6  思考题 28

第4章  安全属性 29

4.1  安全断言事件属性 29

4.2  机密性 30

4.3  认证 32

4.3.1  存活性 32

4.3.2  同步一致性 35

4.3.3  非单射同步一致性 37

4.3.4  单射同步一致性 38

4.3.5  消息一致性 39

4.4  认证继承关系 41

4.5  对NS协议的攻击和改进 44

4.6  总结 49

4.7  思考题 50

第5章  验证 52

5.1  模式 52

5.2  验证算法 58

5.2.1  良构模式 59

5.2.2  可达模式 59

5.2.3  空模式和冗余模式 60

5.2.4  算法概述 61

5.2.5  模式精炼 62

5.3  搜索空间遍历实例 66

5.4  使用模式精炼验证安全属性 70

5.5  启发式算法和参数选择 71

5.5.1  启发式算法 71

5.5.2  选择一个合适的回合数 74

5.5.3  性能 75

5.6  验证单射性 76

5.6.1  单射同步一致性 76

5.6.2  LOOP循环属性 79

5.6.3  模型假设 82

5.7  更多Scyther分析系统的特性 82

5.8  思考题 84

第6章  多协议攻击 85

6.1  多协议攻击概述 86

6.2  实验 86

6.3  测试结果 87

6.3.1  严格类型匹配：无类型缺陷 89

6.3.2  简单类型匹配：基本类型缺陷 90

6.3.3  无类型匹配：所有类型缺陷 90

6.3.4  攻击例子 90

6.4  攻击场景 92

6.4.1  协议更新 92

6.4.2  歧义性身份验证 94

6.5  预防多协议攻击 96

6.6  总结 97

6.7  思考题 97

第7章  基于NSL扩展的多方认证 98

7.1  一个多方身份认证协议 98

7.2  安全分析 101

7.2.1  初步检测 101

7.2.2  正确性证明 102

7.2.3  角色 的随机数机密性 105

7.2.4  初始化角色 的非单射同步一致性 106

7.2.5  非初始化角色 的随机数机密性 107

7.2.6  非初始化角色 的非单射同步一致性 107

7.2.7  所有角色的单射同步一致性 108

7.2.8  类型缺陷攻击 108

7.2.9  消息最小化 108

7.3  模式变体 109

7.4  弱多方认证协议 111

7.5  思考题 112

第8章  历史背景和进阶阅读 114

8.1  历史背景 114

8.1.1  模型 114

8.1.2  早期分析工具 114

8.1.3  逻辑 114

8.1.4  验证工具 115

8.1.5  多协议攻击 117

8.1.6  复杂度分析 117

8.1.7  符号化模型和计算模型之间的差异 117

8.1.8  消除安全分析和代码实现之间的差异 118

8.2  可选方法 119

8.2.1  建模框架 119

8.2.2  安全属性 120

8.2.3  验证工具 122

参考文献 125