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密碼技術與客戶業務場景高度融合，為Fintech、IoT保駕護航
密碼技術在5G安全中的應用
发布時間：
2020-06-05 10:24
密碼(ma)作為保障網絡安全的核心(xin)技術和基礎支撐，在維護國家安全、促進經濟社會发展、保護人民群衆利益中发挥着不可(ke)替代(dai)的重要作用。随着(zhe)云(yun)計算、物聯網、移動互聯網、大数(shu)據、人工智能等新興技(ji)術的蓬勃发(fa)展，以(yi)及5G網絡(luo)、智慧城市建設、互聯網+政務服務的全力推進，網絡安全防護的需求日益紧迫，密碼(ma)技術成為保障这些领域信息安全的關键手段。在此(ci)背景下，密碼技術不仅(jin)需要保護数據安全、保證網上誠信，更需要與(yu)云計(ji)算、人工智能等其他學科進行(xing)深入合作(zuo)。密碼產業的发展也离不開與信息產(chan)業、通信產業等其他產業的深度融合。
摘要
随着第五(wu)代移動通信技術標準的(de)不断完善與演進，5G在通信、医疗、工業控製、智(zhi)能交通等各個领域获得(de)了前所未有的關注度，其超低延迟和大带宽特性為垂直行業数字化轉型创造(zao)了条件(jian)，然而5G網(wang)絡在實际部署中依然面臨多維度的(de)安全挑战。针對5G終端的接入安全和数據安全問題，需要指出合適的密碼技(ji)術解決方案。在接入認證環(huan)節，可以采用无證书密碼體製來簡化證书管(guan)理流程、基於同態加密的(de)数據聚合機製來實現隐私保護的数據計(ji)算、以及基於身份的聚合簽密等密碼(ma)技術來同時满足身份認證和数據完(wan)整性驗證需求。對於云端存储和(he)終端間共享環節中(zhong)的数據安全問題，可以采用屬性基加密來實現細粒度的访問(wen)控製、以及抗密钥泄露技術來增強密(mi)钥使用的(de)安全性。
引言
随着人們對通信網絡的性能和安(an)全需求(qiu)不断提高，第五代移動通信技術发展迅猛並得到了前所未有的關(guan)注(zhu)。5G是為(wei)實現(xian)萬物互聯而提出的新一代移動通信技術，它通過更高的(de)頻谱效率、更低的網絡延(yan)迟和更大(da)的连接密度，支(zhi)撐智能製造、车聯網、远程医疗等多個领域的應用(yong)落地。5G技術越來越受到各行各業(ye)的關注，也(ye)成為學術(shu)领域研究的一個熱點，相關技術標準(zhun)和商用部署在全球(qiu)範围内逐步推進。
目前 5G 還處(chu)於发展的初期，面(mian)對的挑战也各式各樣。未來的 5G 无線(xian)網絡將具有灵活性(xing)、開放性和高度异(yi)構性，不仅可以提供傳統的语音(yin)和数據通信，也有很多新的應用案例，包括从车辆到车辆、车辆到基礎設(she)施的通信、智能電網、智(zhi)能城市以及智慧医(yi)疗等等。
大規(gui)模的設備使用异構无(wu)線接入系統進行通信，可能會导致許多互聯互通問題，因此需要考虑安全(quan)性機製以及无縫切换(huan)等問題。5G 无線網絡進行通信時，庞大的数據流在網絡中含有大量隐(yin)私和敏感信息，為了確(que)保(bao)隐私不被泄漏，在終端受限(xian)的情况下，還需要考虑高效的数據與隐私保護技術。
总之，為了(le)促進(jin) 5G 的健康快速发展，有必要將(jiang) 5G 和密碼學知识 相(xiang)結合。在 5G 安全方面，接入認證、数據(ju)采集(ji)、数據存储與共享等環節的安全問題值得深(shen)入研究。
5G安全中的密碼學技術
1.1 无證书密碼體製
作為一種新型公钥密碼體製，无證书(shu)密碼體製解決了基於身份密碼體製中固有的密钥托管(guan)問題，同時克服了(le)傳(chuan)統公钥密碼體製所面臨的 复 雜 證 书 管 理 問 題。Al-Riyami 和 Paterson在 2003 年的亚密會上首次提出(chu)了(le)无證书的公钥密碼體製，基於椭圆曲線上的雙線性對構造了第一(yi)個(ge)无證书簽名方案。
Liu 等人(ren) 提出了一種基於无(wu)證书(shu)短簽名的匿名相互認證方案，用於實現车(che)聯網中的车辆與路边單元互相認(ren)證，该方案在随機(ji)预言機模型中的(de)自適應選擇消息攻擊下具有不可伪造性。
Yeh等人针(zhen)對物聯網環境下资源受限(xian)的智能設備場景，提(ti)出了一個新的无證书簽(qian)名方案，该方(fang)案无需依赖(lai)傳統公钥基礎設施，可以有效
Jia等人的研究指(zhi)出，Yeh等人提(ti)出的(de)无證书数字簽名方案存在多個關键安全缺陷，敵手可以通過冒充密钥生成(cheng)中心的身份(fen)，為任何目標用戶(hu)颁发部分(fen)私钥而不被合法參與者檢測到，同(tong)時该方案的設計框架无法有效抵抗针對公钥替换(huan)的攻擊手段，这些漏洞
宋等人(ren)针對当前车聯網中匿名認證的安全性與效率問題(ti)，提出一種基於非線性對(dui)的车聯(lian)網无證书批量匿名認證方案。该方案采用无證书无雙線性對運算的批量(liang)認證方式，計算與存储開銷较(jiao)低(di)，这對於(yu)高動態的车载網(wang)絡來說有着重要意義。无證书簽名方案是在(zai)资源有限的物聯網設備中(zhong)提供安全認證的潜在方法之一，設計可證明安全(quan)且高效的无證书簽名方案值得進一步研究(jiu)。
1.2 基於同態加密的数(shu)據聚(ju)合技術
在当前的隐私保護技(ji)術體系中(zhong)，Paillier同態加密算(suan)法因其對加密数據的直接計算能力而成為應用(yong)範围最廣的方案，其核心特性在於(yu)可以對加密后的密文實施加法等特(te)定操作，使得(de)運算結果仍保持加密状態。然而，虽然这種方法有效實現了用戶隐私信息的保護(hu)目標，但其自身存在明顯(xian)的防伪(wei)性缺陷。
為了有效解決(jue)智能電網環(huan)境下的数據安全傳輸與隐私保護难題，需要將身份認證技術與隐私保(bao)護的数據聚合方案進行深(shen)度融合。在隐私保護的(de)数據聚合研究领域，學術(shu)界已經积累了一系列重要的理论成(cheng)果和實践方案。Lu等人通過結合数字簽名技術，基於Paillier同態(tai)加密算法(fa)，针(zhen)對智能電網的特定應用場景提出(chu)了一種数據聚合方案，该(gai)方案在保證数據完整性的同時(shi)實現了隐私保護。Zhang等人則(ze)通過引入先哈希后點加的创(chuang)新思想，設計了另一個数據聚合方案(an)，在不同的技術路線上實現了類似的安(an)全目標。
1.3 聚合簽密技術
在5G網絡(luo)環境下，物聯網設備的大規(gui)模接入認證安全已成為網絡架構必须解決(jue)的核心問題。簽密技術(shu)作為一種密碼學方案，能够在合理的逻輯步骤内同時實現對消息的簽名和(he)加(jia)密功能，避免了分別執行兩個操作的冗余(yu)性。随着用(yong)戶(hu)終端数量的持續增长，傳統(tong)的接入認證方式會导致系統(tong)资源消耗過大、信令擁塞嚴重等問題，这些瓶颈直接影響網絡的承载能力和服務質量。為了有效解決这些問題，可將基於身(shen)份的聚合簽密方案引入終端(duan)與網絡之間的認證過程。
2009年，Selvi等人(ren)在密碼學领域提出了一個基於身份的聚合簽密方(fang)案，並對其進行了嚴格的形(xing)式化安(an)全性證明。随后(hou)，Lu等人针(zhen)對實际應用需(xu)求，提出了一(yi)個基於(yu)雙線性對的无證书聚合簽密方案，但该方案存(cun)在一定(ding)的技術局限性，主要表現為(wei)不具備公開可(ke)驗證性的特征，同時在簽密和驗證阶段所需(xu)的雙線性運算個数较多(duo)，导致整體計算效率不够理想(xiang)。為了進一步满足實际應用中對发(fa)送者身份(fen)隐私的保護需求，Hong等人在前期研究基礎上提出了一個具有隐私保護機製的聚合簽密(mi)方(fang)案，並详細阐述了该方(fang)案在车载網絡中的具體應用場景和實(shi)践意義。
1.4 屬性基加密技術
屬(shu)性基加密(mi)(Attribute-Based Encryption:ABE)的(de)概念由Sahai等人於2005年正式提出(chu)，是(shi)密碼學领域中一種重要的加(jia)密方法。ABE技術通過將用戶屬性與访(fang)問策(ce)略相結合，在保護数據機密性的同時能够實現細(xi)粒度的(de)访問控製，使得数據的保護(hu)不再局限於簡單的密钥绑定模(mo)式。根據访問策略的具體實現方式不(bu)同(tong)，ABE可(ke)以分為兩大類別：其一是密钥策略下的ABE(Key-Policy ABE:KP-ABE)，其中(zhong)访問策略被嵌入到用戶的解密(mi)密钥中；其二是密文策略下(xia)的ABE(Ciphertext-Policy ABE:CP-ABE)，其中访問策略(lve)直接與(yu)密文相關聯。
CP-ABE 允許(xu)数據擁(yong)有者自己製定访問策略，然后將策略直接嵌入在数據密(mi)文(wen)中，当且仅当数據的使用者的屬性满足(zu)访問控製策略時(shi)，数據使用者才能正確地解密密文，从而達到数(shu)據的細粒度访問(wen)控製。
在基於屬性的加密技術的(de)演進過程(cheng)中，针對不同應用(yong)場景的實(shi)际需求，學術界提出了多個重要的擴展方案(an)。Wang等人為(wei)了使用戶能够快速地找(zhao)到所需的密文，提出了支(zhi)持關键字搜索的ABE方(fang)案(an)，该方案在云存储和信息檢索系統中具有重要應用价值(zhi)。為了减少單一屬(shu)性授權中心在密(mi)钥管理中的權力集中問題，文献研究了(le)多中心(xin)的ABE方(fang)案(an)，从而提高了系統的分布(bu)式特性和(he)容错能力。為了進一步提高(gao)用戶的使用效率，Li等人設計(ji)了具有外包解密功能的ABE方(fang)案(an)，將部分計算(suan)任務卸载到云端(duan)執行，减轻用戶端的計算壓(ya)力。為了支持屬性的動態撤銷需求，Cui等(deng)人提出了屬(shu)性可撤銷的ABE方(fang)案(an)，確保失效屬性的及時(shi)吊(diao)銷。
上(shang)述方案中访問控製策略(lve)以明文形式存储，存在用戶隐私信(xin)息(xi)泄露的安全隐患，这一問題在云存储、医疗数據共享等需要細(xi)粒度访問控製的應用(yong)場景中尤為突出。
1.5 抗泄漏加密技術
抗泄漏密碼學專注於在現(xian)實應用(yong)環境中構建能够抵抗边信道攻擊的密碼方案。與理论密碼學假設完美隐藏(cang)内部(bu)状態不同，抗泄漏密碼學面向實际硬件實現中(zhong)存在的(de)信息泄露現象，包括功耗分析、時序侧信道等多種攻擊途径。
2009 年Akavia 等人首次提出公钥密碼(ma)體製下的抗边信道攻擊方案 。紧接着 Alwen 等人也相繼提出(chu)新的抗泄漏公钥加密機(ji)製，使(shi)新方案能抵抗更多泄漏並(bing)且是選擇密文攻擊安全的 。
基於身份認證體系的廣播加密技術在2017年由Li等人首次系(xi)統提出,该方案针對连續密钥泄漏(lou)場景(jing)設計防護機製,並通過形式(shi)化證
在密碼學领域的(de)關键(jian)发展中，2018年周等研究者基於抗连續泄漏模型構造了一個新的(de)基於身份的加密(mi)方案，為防止长期密钥泄(xie)露提供了理论基礎。詹等人則設計了一(yi)個抗密钥泄漏的雙態(tai)仿射函数加密方案，確保在攻擊者成功获得主(zhu)密钥部分信息(xi)的情况下，系統仍能保(bao)持语義(yi)安全性的防護能力。孙等人進一步構造了(le)抗密钥泄漏基於身份加密的(de)密碼方案，並通過嚴格的密碼學證(zheng)明驗證了该方案在選擇(ze)密文攻擊場景下的安全性。
02
密碼(ma)技術在(zai)5G安全(quan)中的應用
随着移動互聯(lian)網、物聯網及行業應用的爆发式(shi)增长，未來移動通信將面臨千倍数(shu)據流量增长和千億設備聯網(wang)需求。在(zai)智慧城市(shi)、工業控製、车聯網、远程医疗等垂直行業的推動下，網絡承载的業務類型日益多樣化。5G安全機(ji)製除了要满足基本通信(xin)安全要求之外，還需(xu)要為不(bu)同業務場景提供差异化安全服務，能够適應多種網絡接入方式及(ji)新型網絡架構(gou)，保護用戶隐私(si)，並提供(gong)開放的安全能(neng)力。考虑到(dao)5G網絡中超密集組網、边(bian)缘計算、網(wang)絡切(qie)片等新特性的引入，安全防(fang)護的复(fu)雜性顯著提升。5G不同的接(jie)入技術包括毫米波(bo)、Sub-6GHz等，各自具有不同的安全需求和(he)接入認證機製。
5G作為第五代移動通信(xin)網絡，已將人(ren)與人的连接進一步拓展至萬物互聯的新境界，為智慧城(cheng)市(shi)、智慧医疗和智能電(dian)網等战略性產業领(ling)域的发展提供了更加優化的无線解決方案。在實际通信部署中，由於業務需求(qiu)的多樣性(xing)、應用場(chang)景的(de)未知性以及系統架構的复雜性等特點，通(tong)信網絡基礎(chu)設施需要適度超前建設，提前储備核心承载能力，以便提(ti)前(qian)满足未來多元化業務對網絡的承载需求。伴随5G網絡(luo)的创新发展，特別是在5G新業務形態、新架構方案、新(xin)技術體系的不断演(yan)進過程中，對数據安全保障和用戶隐私保護都(dou)提出了系(xi)統性的新挑战。在5G通信環境下，網絡连接的本質已发生深刻轉變，不仅涵(han)盖了傳統的人與物的通信場景，更廣泛地包含了物與(yu)物之(zhi)間的直接通信交互。
2.1 无證书密碼體製在 5G 物聯網数據安全采集中的應用
该密碼體製可(ke)應用於 5G 无線(xian)網絡環境下基於物聯網設備的安全数(shu)據采集，减轻傳統公钥基礎設施中的(de)證书管(guan)理负擔。不依(yi)赖於受信任的第(di)三方，无證书公钥加密技術便於用戶建立私(si)钥和相應的公钥(yao)。
在5G物聯網(wang)應用(yong)場景下，无證书(shu)簽名系統的密钥管理流程設計如下：密钥生成(cheng)中心首先產生一個(ge)秘密钥、一個公钥(yao)和公開系統(tong)參数，構成系(xi)統的基礎密钥框架。随后密钥生成中心根據接入設備(bei)的具體(ti)身份信息以及秘密钥，為每個接入設備計算並生成其對(dui)應的部分(fen)秘密钥。在密(mi)钥分发環節(jie)，密钥生(sheng)成中心將生(sheng)成的部分秘密钥通過安全通道发送至接入設備。接入(ru)設備(bei)接收后首先執行部分秘密钥的有效性檢查，驗證其完整性和合法性。
接入設備通過與密钥生成中心协作完成密(mi)钥(yao)對的生成過程。設備首先接收系統(tong)參数以及來自密钥生成中心產生的(de)部分秘密钥，随后結合自身(shen)產生的另一部分秘密钥，經(jing)過密钥合成機製最終(zhong)生成完整的私钥。同時，設備利用系統參数與自己產生的另一部分秘(mi)密钥最終(zhong)生成對應的公钥。
2.2 同態加密在 5G 智能(neng)電網電力安全回收中(zhong)的應用
作(zuo)為 5G 的一個代表性用例，智能電網的一個重要目標是提高(gao)能源(yuan)利用率。随着物聯網技術的快速发展，车聯網的研(yan)究受(shou)到了極大的關注，车聯網與智能(neng)電網的(de)結合具有非常重要的意義。
在智能電網的運營實践(jian)中，為(wei)了(le)實時满足海量用戶對於電能的需求，把车聯網中的海量電動汽车作為储存電能的(de)備用設備具有重要的實(shi)际意義。这一應用場景(jing)在新能源與(yu)傳統電力系統融合的過程中尤為關键。在用(yong)電低峰期，電動汽车停车期間可以通過智(zhi)能電網進行充(chong)電，利用非峰值電价(jia)降低用戶的(de)充電成本；在用電高峰期，電動汽车可以把多余的電能(neng)注入到智能電(dian)網中以获取收益，从而形成灵(ling)活的能量交互機製。為了保障智能電(dian)網的稳定運行，電力公司必须對電動汽车(che)注入的電量進行統計，以便實現精確的负荷調(diao)度和能量平衡。
基於同態加密，電動汽车(che)等電能存储單元可以對每一個時隙要注入的電力進行同態加密后发送給聚合(he)網關，網關基於收到的密文，利用同態(tai)加(jia)密算法的性質可以得到总回收電量的密文，並將密文发送給電力公司。電力公司最后利用(yong)自己的私钥(yao)進行解密可以得到回收的总電量。
2.3 聚合簽密技術在(zai) 5G 大規(gui)模物聯網設備接入認證中的(de)應用
随着无線通信技術(shu)的快速发(fa)展，出現(xian)了種類(lei)繁多、数量巨大的物聯網(wang)終端設備接入(ru)網絡获得相應的服務。例(li)如(ru)智能電網、智能家居、智能城市等，覆盖了能源(yuan)、家(jia)庭、安防(fang)等多個行業领(ling)域。而大多数物聯網終端設備都處於開放的網(wang)絡環境下(xia)，對於安全性需求未給予足够重視的設備(bei)很容易遭受到恶意攻擊(ji)。
物聯網終端接入方式在 5G 中主(zhu)要是无線接入，在海量的接(jie)入場(chang)景下，如果對每個終端(duan)逐一進行認證將带來(lai)高昂的認證成本，效率也不盡人意(yi)。特別(bie)地，在很多数據感知(zhi)應用中(zhong)，大量的(de)物聯網設備通(tong)常被同時唤醒，以實現對采集数(shu)據的統一收集(ji)和處理。
在这一過程中，既要考虑設備身份的有效性，又需要考虑未來通信的機密性。采用聚合簽密技術，可以讓每個物聯網設備對采集的(de)数據進行(xing)簽密，將簽(qian)密密文发(fa)送給一個指定的設備，该設備采用聚合算法對收到的簽密密文進行聚合，得到长度(du)很(hen)小的密文发送給處理中心。最后由處理中(zhong)心對簽密(mi)密文進行驗證和解密，同時實現設備的身(shen)份認證和所发送数(shu)據的可靠性檢驗 。
2.4 屬性基加密技術在(zai)云存(cun)储安全中的應用
在云計算環境下，為了防止数(shu)據擁(yong)有者的隐私泄漏，在共(gong)享数(shu)據前，数據擁有者需要將文件進行(xing)加密，当密文上傳(chuan)到云服務前，可以(yi)將访問控製策略或屬性隐藏 。可以使用屬性布隆過滤器將屬性隐藏在匿名(ming)的访問控製結(jie)構中，这樣能够(gou)實現数據和屬性的同(tong)時隐藏。
在云環境下的数據共享(xiang)模型中涉及到四個實體(ti)：数據擁有者、数(shu)據使用者、云服務(wu)器和屬性授權中(zhong)心。屬性中心(xin)负(fu)責系統的初始化，然后得(de)到系統的主私钥和公開參数，公布系統參(can)数，同時保(bao)存系統主私钥(yao)。系統用戶(hu)，包含数據擁有者和数據使用者，根(gen)據自身的屬性通過屬(shu)性中心進行注册，然(ran)后屬性中心為其分(fen)发相應的私钥。数據擁有者通過製定的策略加密文件资源，然后上(shang)傳到(dao)云服務器上。云服器负責(ze)密文的(de)存储。最后，数據使用者下载密文，仅当数據使用者屬性满足访問控(kong)製結構時才能正確(que)解密密文。
2.5 抗泄漏密碼技術在数據安全中的應(ying)用
5G 網絡(luo)中業務和(he)場景的多樣性，以(yi)及網絡的開(kai)放性，使用戶隐私信息从封闭的平臺轉移(yi)到開(kai)放的平臺上，隐私泄(xie)漏的風(feng)险也因此增加。在公開的云存储網絡環境中，数據的共(gong)享能够給数據的使用者带來很多(duo)便利。在加密過程中，数(shu)據擁有者(zhe)根據指定访問数據的用戶身份作為公钥加密数據，在解密過程中，只有数據擁有者指定的用戶(hu)才能够正確地解(jie)密密文。
在 5G 環境下，上(shang)述過程可以實現数據共享，但用戶私钥泄(xie)漏的風(feng)险也增加了。若解密過程中的私钥部分(fen)泄漏或者完全泄(xie)漏，則用戶的数據隐(yin)私將得不到保障。為了避免現有密碼算法没有考虑各種(zhong)攻擊存在的(de)情况下而导致的部分隐私泄漏問題，可以采用抗密钥泄漏的基於(yu)身份加密算法來進行数據加密(mi)上傳，解密下载。在抗密钥泄漏的基於身份加(jia)密系(xi)統中，共有四個實體：数據(ju)所有者、共享数據使用者、權威中心、云端数據存储中(zhong)心。
權(quan)威中心负責生成系統公開參数和主(zhu)私钥，並(bing)進一步生成公私钥給数據所有(you)者和共享数據使用者；云端数(shu)據存储中心负責存(cun)储数據；数據所有者负責利用公開參(can)数(shu)和共享数據使用者的身份信息加密文件並上傳到云存储中心，数據使用者(zhe)负責下载密文並用自己的私钥解密密(mi)文，得到原始数(shu)據。只有(you)数據擁有者指定的用(yong)戶才能够正確解密密文。
03
結 语
移動通信技術的每一次更新都為我們的日常生活(huo)與工作带了巨大的(de)便利，第五代移(yi)動通信发展更是受到各個领域前所未有的關(guan)注。在 5G網(wang)絡中，大量隐私和敏感信息進行通信傳輸時，確保隐私不(bu)被泄漏已成(cheng)為人們首要關注的問題。本文對 5G 通信中存在的安全問題進行分(fen)析(xi)，並且针對该安全問題提出了(le)相應的(de)解決方案。此(ci)外，給出了密碼學技術在(zai) 5G 中的潜在應用(yong)場(chang)景。
作者簡介 >>>鄭东，西安(an)郵電大(da)學教授，博(bo)士，主要研究方向為(wei)无線網(wang)絡安全與编碼密碼學，摩石實驗(yan)室兼職(zhi)專家。张應輝，西安(an)郵電大(da)學教授，博(bo)士，主要研究方向為公钥密(mi)碼學、无線網絡(luo)安全(quan)和云存储安全。選自《信息安全與通(tong)信(xin)保密》2019年第一期 （為(wei)便(bian)於排版，已省去原文參考文献）
