移动云计算中的认证协议研究

摘要

近年来，基于移动云计算的信息系统得到了快速发展，将资源密集性计算和存储从移动终端迁移到云端可以显著提升终端性能，有效降低能耗和扩展终端的计算与存储能力。移动云计算普及的同时，移动云平台的安全性也引起了学术界的广泛关注。移动云计算具有终端资源受限、网络复杂异构和数据高度隐私等特征，使得移动云环境面临更多的威胁和挑战。身份认证技术作为防护信息平台安全的第一道门槛，也是保护移动云计算安全的有效机制。在移动云环境中，由于存在终端计算能力不高，移动通信极易受到窃听和篡改等攻击，传统的远程认证协议并不适用，需要建立符合移动云计算环境特征的认证协议。主要研究了两类移动云中的认证协议：一是面向移动用户的认证协议；二是面向移动终端设备的认证协议。现有的研究缺少针对移动云的认证协议建立的威胁模型和评价标准，导致已有的协议仍然面临多种攻击，无法有效保护移动云计算系统的安全性。针对上述问题，基于公钥密码技术、生物特征认证技术和安全协议的形式化分析方法等理论，对移动云计算中的双因子、多因子和终端RFID认证理论进行了研究，主要完成的工作包括： 1.分析了传统环境下的基于口令的远程认证协议。首先，提出了基于口令的远程认证协议分类和安全目标，给出了远程认证协议常见的攻击方法。其次，从采用的密码技术和适用的网络环境等角度出发，分析了6个典型的用户远程身份认证协议，指出了上述协议存在的不能达到前向安全性、不能抵抗离线口令猜测攻击、不能抵抗身份仿冒攻击、不能抵抗DoS攻击和不能防止智能卡复制等安全缺陷。研究表明，现有的基于口令的远程认证协议难以达到理想的安全目标，设计安全的远程认证协议仍然是一个有待解决的问题。通过远程认证协议的分析与攻击，揭示了远程认证协议存在安全缺陷的根本原因，为后续研究移动云的认证协议提供了理论依据。 2.针对移动云计算环境的特点，建立了移动云环境的双因子认证安全模型，提出了使用口令和NFC技术的双因子用户认证协议。首先，提出移动云中双因子认证协议的安全模型和协议应实现的目标，定义了基于NFC技术的两类移动云双因子认证场景。其次，基于上述模型和假设，在修复了Wang等人和Xie协议缺陷的基础上，提出了一个基于口令和NFC的移动云双因子认证协议PAKE-NFC，协议采用了DSA签名和离散对数来保护认证的安全性。最后，对提出的PAKE-NFC协议进行了启发式安全性分析，并使用提出的ECC-ROM模型和BAN逻辑对协议进行了形式化分析。结果表明，PAKE-NFC协议实现了双向认证和前向安全，可以抵抗会话密钥控制攻击、离线口令猜测攻击等典型攻击。协议满足移动端的轻量级计算要求，并且不需要用户需要额外携带设备，具有良好的可用性，可应用于移动云社交、移动云家居和移动云存储等云平台。 3.以安全性要求极高的移动医疗云为背景，建立了移动云三因子用户认证协议安全模型和评价指标，提出了一种基于生物特征的三因子认证协议。首先，建立了适用于移动医疗云的三因子认证安全模型和16项协议评价标准，为合理评价协议提供了重要依据。其次，在修复了Das医疗认证协议存在的内部攻击和离线口令猜测攻击等缺陷的基础上，采用口令、智能终端和生物特征，提出了一个移动医疗云环境的三因子认证协议PAKE-BIO。基于提出的16项评价标准，对PAKE-BIO协议进行启发式分析，采用了BAN逻辑和AVISAP对协议进行形式化分析和模拟仿真。结果表明，PAKE-BIO协议是安全的，能抵抗内部攻击、服务器欺骗攻击、口令猜测攻击和智能设备丢失攻击等常见攻击，实现了用户身份匿名和不可链接性，能有效保护用户的隐私。性能分析表明，与医疗领域的其它协议相比，在满足了身份匿名和安全性要求的前提下，PAKE-BIO协议提供了相对良好的计算和通信性能，并完全符合提出的评价标准。 4.研究了移动云环境下的终端RFID认证。首先，分析了Fan等人基于云的RFID相互认证协议，指出了Fan协议存在的阅读器假冒攻击、标签计算开销大等缺陷。其次，改进了现有的低成本不可追踪认证协议存在的安全问题，并严格证明了改进协议的不可追踪性。最后，在上述研究基础上，提出了一种移动云环境中的低成本的RFID相互认证协议——MCC-LCAP。安全性分析和性能分析表明，MCC-LCAP协议在符合安全要求的前提下，提供了良好的性能，适用于移动云场景中的无处不在的RFID终端认证。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 选题背景（Background）

1.2 国内外研究现状（Domestic and Foreign Research Status）

1.3 论文主要工作（Main Work）

1.4 论文组织结构（Organization）

2 基础理论

2.1 认证协议的主要理论依据（ Theories for Authentication Protocol）

2.2 生物特征认证技术（Biometric based Authentication）

2.3 近场通信技术（Near Field Communication Technology）

2.4 认证协议的形式化分析方法（ The Technologies for Formal Verification of Authentication Protocols）

3 基于口令的远程认证协议分析

3.1 基于口令的远程认证协议相关理论（ Theories for the Password-based Remote User Authentication Protocol）

3.2 分析轻量级远程单服务器认证协议（ Cryptanalysis of Lightweight Remote User Authentication Protocol for Single-Server Environments）

3.3 分析轻量级远程多服务器认证协议（ Cryptanalysis of Lightweight Remote User Authentication Protocol for Multi-Server Environments）

3.4 分析基于RSA的远程认证协议（Cryptanalysis of RSA-based Remote User Authentication Protocol）

3.5 分析基于离散对数的远程认证协议（Cryptanalysis of Remote User Authentication Protocol Based On Discrete Logarithm）

3.6 分析基于ECC的远程认证协议（Cryptanalysis of ECC-based Remote User Authentication Protocol） Li基于ECC的协议回顾

3.7 本章小结（Summary）

4 基于口令和NFC的移动云双因子认证协议

4.1 移动云双因子认证相关背景（ Background of Two-factor Authentication Protocol in MCC）

4.2 移动云环境的双因子认证安全模型（Security Model for Two-factor Authentication Protocol in MCC）

4.3 提出的基于NFC和口令的移动云双因子认证协议（Proposed Two-Factor Password Authentication Protocol using NFC in MCC）

4.4 PAKE-NFC 协议的安全性分析（Security Analysis of PAKE-NFC Protocol）

4.5 基于 MCC-ROM 的 PAKE-NFC 协议安全性证明（Security Proof for PAKE-NFC Protocol based on MCC-ROM）

4.6 基于 BAN 逻辑的 PAKE-NFC 协议形式化分析（ The Authentication Proof for PAKE-NFC Protocol Based on BAN Logic）

4.7 PAKE-NFC协议性能评估（Performance Evaluation of PAKE-NFC Protocol）

4.8 本章小结（Summary）

5 基于口令和生物特征的移动云三因子认证协议

5.1 移动医疗云环境三因子认证相关背景（Background of Three-Factor Authentication Protocol in Mobile Medical Cloud）

5.2 移动医疗云环境三因子认证模型及评价标准（Security Model and Evaluation Indicator for Three-Factor Authentication Protocol in Mobile Medical Cloud）

5.3 生物特征来源及处理方法（Biometric Source and Treatment Method）

5.4 分析现有的医疗信息系统认证协议（Analysis of existing User Authentication Scheme for Medical Information System）

5.5 提出的移动医疗云环境中的三因子认证协议（Proposed Three-Factor Password Authentication Protocol in Mobile Medical Cloud）

5.6 PAKE-BIO协议安全性分析（Security Analysis of PAKE-BIO Protocol）

5.7 基于 BAN 逻辑的 PAKE-BIO 协议形式化分析（ The Authentication Proof for PAKE-BIO Protocol Based on BAN Logic）

5.8 基于AVISPA的PAKE-BIO协议仿真（Simulation of PAKE-BIO Protocol using AVISPA Tool）

5.9 PAKE-BIO协议性能评估（Performance Evaluation of PAKE-BIO Protocol）

5.10本章小结（Summary）

6 移动云环境下的终端RFID认证协议

6.1 移动云中的 RFID 认证协议相关背景（Background of RFID authentication protocol in MCC）

6.2 移动云中的 RFID 认证协议模型（Security Model of RFID Authentication Protocol in MCC）

6.3 分析基于云的RFID相互认证协议（Cryptanalysis of Cloud-based RFID Mutual Authentication Protocol）

6.4 改进的低成本RFID相互认证协议（Improved Low-cost RFID Mutual Authentication Protocol）

6.5 提出的移动云中的低成本RFID认证协议（Proposed Low-cost RFID Authentication Protocol in MCC）

6.6 RFID 认证协议性能分析（Performance Evaluation for RFID Authentication Protocol）

6.7 本章小结（Summary）

7 总结和展望

7.1 总结（Conclusions）

7.2 展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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