22、隐私协议与安全协议时间特性分析

隐私协议与安全协议时间特性分析

1. 社交网络隐私协议现状及问题

在社交网络中，用户可使用的固定访问控制策略数量有限。通常，用户只能选择将自己的帖子公开，或者仅对所有私人联系人（“朋友”）可见，有时也能对所有联系人的联系人（“朋友的朋友”）可见。但社交网络并未提供建立私人联系人子组和层级结构的选项。虽然有与特定子组共享内容的功能，但每次都需重新输入收件人信息，或者将其保存在与隐私策略分离的地址簿中。

更具表现力的访问控制系统可以允许制定更精细的隐私策略，这将极大提升社交引擎对用户的可用性，让用户能像使用电脑时一样，利用访问控制机制管理自己的内容。然而，这会使内容聚合者和盈利者的策略选择变窄。例如，某些社交平台通过操纵社交引擎索引中的权重偏差以及出售向每个用户展示内容的选择权来盈利。用户作为内容创作者拥有的隐私选择越多，平台可操作的隐私选择就越少。

2. 隐私协议中的中间人协议

隐私协议中的中间人（MitM）问题较为常见。例如，在社交网络协议中，某些平台的私有资源会插入到其他用户的私有资源之间；在广告协议中，也有人会插入到广告商和目标用户之间。

以社交影响（SInf）协议为例，它建立在社交网络（SNet）协议之上，是一种更高级别的协议。广告活动经理Tizer发起SInf协议运行，请求平台Zuck放置感兴趣的广告活动消息。Zuck通过其广告索引为每条活动消息分配合适的收件人上下文和帖子，然后其社交引擎将活动消息插入到用户朋友的帖子中。最后，Zuck的业务引擎生成服务报告和发票，Tizer支付费用，该支付款项会添加到Zuck的预算中。

其流程如下：
1. Tizer发起SInf协议运行，发送请求rT Z。
2. Zuck通过广告索引 Zad 处理请求。
3. 社交引擎 Zse 插入活动消息。
4. 业务引擎 Zbu 生成服务报告pT Z和发票rZT。
5. Tizer支付pZT。
6. 支付款项 ZT 添加到Zuck预算 Z$ 中。

以下是该流程的mermaid流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(Tizer):::process -->|rT Z| B(Zuck):::process
    B -->|处理请求| C(广告索引 Zad):::process
    C -->|分配上下文| D(社交引擎 Zse):::process
    D -->|插入消息| E(用户朋友帖子):::process
    B -->|生成报告和发票| F(业务引擎 Zbu):::process
    F -->|pT Z, rZT| A
    A -->|pZT| B
    B -->|添加到预算| G(预算 Z$):::process

3. 资源膨胀与隐私缩水

资源膨胀和隐私缩水的问题可以通过一个生活例子来说明。Dave想做煎饼，但缺少牛奶、鸡蛋、面粉和油等材料。他因害羞且之前多次向邻居Alice借东西，于是让Carol向Alice要牛奶，让Bob要鸡蛋，还让Elizabeth和Frank去要面粉和油，最后收集这些材料做煎饼。这种交叉共享隐私协议在现实中有类似的应用。

在统计数据库中，也存在类似的问题。数据库会对记录进行匿名化处理以用于统计分析，但不同数据库对同一人的数据匿名化方式可能不同。攻击者可以通过交叉引用不同数据库中的记录，重新识别出个人信息。例如，Dave可以通过电话号码链接Bob和Carol数据库中的Alice记录，通过地址链接Carol和Elizabeth数据库中的记录等。

如今，大规模的交叉共享协议常被用作高级攻击手段。例如，某些社交平台的协议可能会被升华成交叉共享攻击，平台利用持续访问私人渠道的请求，对抗用户对单一服务的请求。曾有剑桥大学的心理学讲师设计了一个Facebook应用，通过一个简单的个性测验，获取了大量用户的联系人列表，并将这些数据出售给政治咨询公司，用于高级别的社交影响协议。

以下是交叉共享隐私协议的步骤：
1. Dave确定所需资源（牛奶、鸡蛋、面粉、油）。
2. 安排Carol、Bob、Elizabeth、Frank分别向Alice请求资源。
3. 收集资源。
4. 完成煎饼制作（对应实际应用中的目标达成）。

步骤	描述
1	确定资源需求
2	安排人员请求资源
3	收集资源
4	达成目标

4. 从安全协议分析到隐私协议分析

4.1 安全协议分析

安全是一种有用的属性，安全要求通常会公开声明，具有明确的用途。安全协议用于实现明确的安全要求，其失败往往是由于协议设计者未预见到的意外协议运行，通常是因为底层分布式算法的复杂性。安全协议分析的目标是在检测和消除意外运行方面超越攻击者。

4.2 隐私协议分析

隐私是一项权利，但不同人的隐私权利可能相互冲突，隐私要求并不总是能达成一致或公开声明。隐私协议通常实现隐式的隐私要求，并升华到更高级别的部署。在隐私领域，协议分析的任务不仅是检测与声明目标相关的意外失败，还需要识别指向未声明协议目标的预期协议运行，这些运行可能对某些参与者有益，但对其他参与者有害。隐私协议分析为网络社会中信息和价值分配的平衡过程提供了技术支持。

例如，在某些社交和广告协议中，协议和攻击的界限变得模糊，在更高级别上，需要揭露和分析的是欺骗行为。

4.3 安全协议与隐私协议的对比

对比项	安全协议	隐私协议
属性性质	有用属性	权利
要求声明	公开声明	不一定公开声明
协议目标	实现明确安全要求	实现隐式隐私要求
分析任务	检测意外运行	检测意外失败和识别未声明目标
协议与攻击界限	相对清晰	模糊

5. 安全协议时间特性分析的引入

在协议安全验证领域，形式化方法取得了显著成功。Catherine Meadows在这方面发挥了重要作用，她的工作，如NRL协议分析器和Maude - NPA，推动了形式化方法在协议安全验证中的应用。然而，大部分形式化方法的应用并未考虑协议的时间特性。

Meadows对距离边界（DB）协议和基于成本的拒绝服务（DoS）攻击分析的研究为相关工作提供了灵感。基于此，一些研究者开发了基于多重集重写的模型，用于研究协议的不同时间特性，包括网络和处理延迟、协议超时以及定时的Dolev - Yao入侵者模型。

以下是这些时间特性的具体介绍：
- 网络和处理延迟 ：在DB协议的规范和验证中非常重要。
- 协议超时 ：在各种协议中有特定应用。
- 定时的Dolev - Yao入侵者 ：与标准的Dolev - Yao入侵者模型类似，但增加了时间特性，使其更符合系统的物理属性。例如，定时入侵者不能立即获取消息，必须等待消息通过物理传输通道到达。

通过指定DB协议和带超时的协议，可以说明这些时间特性。这些规范比以往的工作更全面，涵盖了上述所有时间特性。同时，还可以指定定时协议和入侵者理论的验证问题，并获得一些复杂性结果，如保密问题的PSPACE完全性。

以下是时间特性相关研究的步骤：
1. 描述网络、协议和入侵者的定时多重集重写（MSR）理论。
2. 用例子说明这些理论对协议执行不同时间特性的支持。
3. 指定验证问题。
4. 获得复杂性结果。

以下是该研究步骤的mermaid流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(描述理论):::process --> B(举例说明):::process
    B --> C(指定验证问题):::process
    C --> D(获得复杂性结果):::process

6. 定时多重集重写（MSR）理论

6.1 理论基础

定时多重集重写（Timed MSR）理论是研究协议时间特性的重要基础。它能够对网络、协议和入侵者进行一般性的形式化描述，支持表示协议执行过程中的各种时间特性。

6.2 时间特性表示

在Timed MSR理论中，通过特定的规则和机制来表示网络和处理延迟、协议超时以及定时的Dolev - Yao入侵者等时间特性。例如，对于网络和处理延迟，可以通过在规则中引入时间参数来模拟消息在网络中的传输时间和系统的处理时间。对于协议超时，可以设置特定的时间条件，当超过这个时间时，协议执行会进入特定的状态。

以下是一个简单的示例，展示如何在Timed MSR中表示消息的传输延迟：

假设存在一个简单的消息传输协议，消息从发送者A传输到接收者B，需要一定的时间t。可以用以下规则表示：

• 初始状态： [A:send_msg(M), B:wait_msg]
• 消息传输规则： [A:send_msg(M), B:wait_msg] -> [A:sent_msg(M), B:wait_msg, timer(t)]
• 消息接收规则： [A:sent_msg(M), B:wait_msg, timer(0)] -> [A:sent_msg(M), B:received_msg(M)]

其中， timer(t) 表示时间参数，当时间从t递减到0时，消息才能被接收者B接收。

6.3 理论优势

Timed MSR理论的优势在于它的通用性和灵活性。它可以应用于不同类型的协议，并且能够根据具体的需求进行定制。通过这种理论，可以更准确地模拟协议在实际环境中的运行情况，从而更好地进行协议的设计和验证。

7. 定时协议和入侵者理论的定义

7.1 定时协议理论

定时协议理论是基于Timed MSR理论对协议进行形式化定义。它考虑了协议执行过程中的各种时间因素，如消息的发送时间、接收时间、处理时间等。通过定义定时协议理论，可以对协议的时间特性进行精确的描述和分析。

例如，对于一个简单的身份验证协议，定时协议理论可以定义如下：

• 协议参与者： A （发起者）， B （响应者）
• 初始状态： [A:initiate_auth, B:wait_auth]
• 消息发送规则： [A:initiate_auth, B:wait_auth] -> [A:sent_challenge(C), B:wait_auth, timer(t1)]
• 消息处理规则： [A:sent_challenge(C), B:wait_auth, timer(0)] -> [A:sent_challenge(C), B:processed_challenge(C), timer(t2)]
• 响应发送规则： [A:sent_challenge(C), B:processed_challenge(C), timer(0)] -> [A:wait_response, B:sent_response(R), timer(t3)]
• 最终验证规则： [A:wait_response, B:sent_response(R), timer(0)] -> [A:verified, B:verified]

其中， t1 、 t2 、 t3 分别表示不同阶段的时间延迟。

7.2 入侵者理论

入侵者理论同样基于Timed MSR理论，用于描述入侵者在协议执行过程中的行为。定时的入侵者模型考虑了入侵者的时间限制，如不能立即获取消息，需要等待消息传输到自己手中。

以下是定时入侵者理论的一些基本规则：

• 入侵者监听规则： [channel:transmitting_msg(M), intruder:listening] -> [channel:transmitting_msg(M), intruder:receiving_msg(M), timer(t)]
• 入侵者处理规则： [intruder:receiving_msg(M), timer(0)] -> [intruder:processed_msg(M)]
• 入侵者伪造规则： [intruder:processed_msg(M), intruder:has_key(K)] -> [intruder:forged_msg(F), timer(t')]

其中， t 表示入侵者接收消息的时间， t' 表示入侵者伪造消息的时间。

7.3 理论的应用

通过定义定时协议和入侵者理论，可以对协议的安全性进行更全面的分析。例如，可以模拟入侵者在不同时间条件下的攻击行为，评估协议在面对各种攻击时的鲁棒性。同时，还可以通过调整时间参数，研究协议在不同网络环境下的性能。

8. 相关验证问题及复杂性结果

8.1 验证问题的指定

在定时协议和入侵者理论的基础上，可以指定一系列的验证问题。常见的验证问题包括保密问题、虚假接受问题和虚假拒绝问题。

• 保密问题 ：验证协议是否能够保证敏感信息的保密性，即入侵者是否能够获取到这些信息。
• 虚假接受问题 ：检查协议是否会错误地接受非法的消息或身份，导致安全漏洞。
• 虚假拒绝问题 ：验证协议是否会错误地拒绝合法的消息或身份，影响协议的正常运行。

8.2 复杂性结果

通过对这些验证问题的研究，已经获得了一些复杂性结果。例如，保密问题被证明是PSPACE完全的。这意味着在一般情况下，解决保密问题的时间复杂度是指数级的，需要大量的计算资源。

以下是一个简单的表格，总结了部分验证问题及其复杂性：

验证问题	复杂性
保密问题	PSPACE完全
虚假接受问题	NP难
虚假拒绝问题	NP难

8.3 结果的意义

这些复杂性结果对于协议的设计和验证具有重要的指导意义。它们表明，在设计协议时，需要充分考虑验证问题的复杂性，避免设计出过于复杂的协议，导致验证困难。同时，也可以根据这些结果，选择合适的验证方法和工具，提高验证的效率。

9. 总结

本文深入探讨了隐私协议和安全协议的时间特性。在隐私协议方面，分析了社交网络隐私协议的现状和问题，介绍了中间人协议、资源膨胀与隐私缩水等现象，并阐述了从安全协议分析到隐私协议分析的转变。在安全协议的时间特性分析方面，引入了定时多重集重写（MSR）理论，定义了定时协议和入侵者理论，指定了相关的验证问题，并获得了一些复杂性结果。

通过对这些内容的研究，我们可以更深入地理解协议在实际运行中的各种特性，包括隐私保护和时间相关的问题。这有助于我们设计出更安全、更可靠的协议，同时也为协议的验证和分析提供了更有效的方法和工具。未来，随着网络技术的不断发展，协议的复杂性和安全性要求也会不断提高，对隐私协议和安全协议时间特性的研究将具有更加重要的意义。

以下是整个研究过程的mermaid流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(隐私协议现状分析):::process --> B(中间人协议研究):::process
    B --> C(资源膨胀与隐私缩水研究):::process
    C --> D(从安全到隐私协议分析转变):::process
    D --> E(安全协议时间特性引入):::process
    E --> F(定时MSR理论描述):::process
    F --> G(定时协议和入侵者理论定义):::process
    G --> H(验证问题指定):::process
    H --> I(复杂性结果获得):::process
    I --> J(总结与展望):::process

总之，隐私协议和安全协议的时间特性是一个复杂而重要的研究领域，需要我们不断地深入探索和研究，以适应不断变化的网络环境和安全需求。