91、家庭网络设备认证授权与新 IT 服务信息安全研究

家庭网络设备认证授权与新 IT 服务信息安全研究

1. 家庭网络设备认证相关内容

1.1 S/Key 基于家庭设备认证

S/Key 基于家庭设备认证协议是家庭网络安全的基本要素。轻量级授权协议（LAP）分为家庭外网络协议和家庭内网络协议。家庭外网络协议允许外部网络设备通过家庭远程访问（HRA）访问家庭网络；家庭内网络协议则针对设备处于家庭网络内的情况设计。该协议提出了基于 S/Key 的认证方案，用于智能家居网络的安全远程访问，为家庭网络服务用户提供便利和安全，但存在重放攻击和信息泄露的弱点。

1.2 设备认证/授权协议

PKI 认证技术适用于单一域内个体间的相互认证，但在提供普适智能家庭服务的多域环境中应用时，需要额外技术，且对传感器设备来说过于繁重。因此，提出了使用漫游和设备认证/授权协议以及设备票据的认证/授权协议类型。
- 漫游和设备认证/授权协议类型 ：在一个家庭网络中服务的设备移动到另一个家庭网络时，可基于家庭网络颁发的漫游票据继续获得服务。这里的家庭网络包括公司或其他内部网络以及家庭本身。
- 使用子设备票据的认证/授权协议类型 ：在家庭网络环境中，基于主设备请求并获得的票据继续提供家庭网络服务。当使用计算能力不足的子设备时，基于家庭服务器颁发给主设备、主设备再分发给子服务器的票据继续提供服务，可提供基于 ID 的便捷认证/授权，兼具安全性和效率。

1.3 系统参数

该方案使用的系统参数如下表所示：
| 参数 | 含义 |
| ---- | ---- |
| * (Device : 用户设备, IAS : 家庭内部网络认证服务器, EAS : 家庭外部网络认证服务器) | 相关实体 |
| ID | * 的身份标识 |
| OTP | 一次性密码 |
| g | nZ 中阶为 n - 1 的生成元 |
| h() | 安全单向哈希函数 |
| e | 2G1 → G1 × G1 双线性映射 |
| CT | 计数器值 |
| TS | 时间值 |
| [ ]E | 使用 * 的密钥进行加密 |
| Sign | * 的签名 |
| KU | * 的公钥 |
| KR | * 的私钥 |
| KS | 设备与 IAS 之间的共享密钥 |

1.4 提出的协议

提出的协议包括家庭内部网络认证和票据颁发阶段，以及漫游到其他家庭网络时的认证阶段，假设设备和家庭内部网络认证服务器之间的对称密钥和同步值已预先分发和设置。

1.4.1 家庭内部网络认证和票据颁发阶段

• 步骤 1 ：设备和 IAS 生成基于 ID 的公钥和私钥，设备生成 OTP。
  • (Device_{KU}=Device_{ID})
  • (Device_{KR}=Device_{ID} \cdot g^{KS})
  • (IAS_{KU}=IAS_{ID})
  • (IAS_{KR}=IAS_{ID} \cdot g^{KS})
  • (OTP = h(TS \oplus CT \oplus KS \oplus PIN))
• 步骤 2 ：设备使用 IAS 的公钥对 OTP 和 CT 进行加密，并传输设备和 IAS 的 ID。
  • ([OTP, CT] {E {IAS_{KU}}}, Device_{ID}, IAS_{ID})
• 步骤 3 ：IAS 解密传输的消息，生成 (OTP’) 并与 OTP 比较，若相同则认证设备。
  • (OTP’ = h(TS \oplus CT \oplus KS \oplus PIN))
  • (OTP’? OTP)
• 步骤 4 ：认证完成后，IAS 生成漫游值 (Roaming_{Value}) 和漫游票据 (Roaming_{Ticket})，使用设备的公钥加密并传输。
  • (Roaming_{Value} = e(Device_{ID} \cdot KS, IAS_{KR}))
  • (Roaming_{Ticket} = Sign_{IAS}(IAS_{ID}, Device_{ID}, h(Roaming_{Value})))
  • ([Roaming_{Value}, Roaming_{Ticket}] {E {Device_{KU}}})
• 步骤 5 ：设备解密传输的消息，生成 (Roaming_{Value}’)，使用可接受双线性映射与 (Roaming_{Value}) 比较。
  • (Roaming_{Value}’ = e(IAS_{ID} \cdot KS, Device_{KR}))
  • (Roaming_{Value}’? Roaming_{Value})
  • (e(IAS_{ID} \cdot KS, Device_{KR})? e(Device_{ID} \cdot KS, IAS_{KR}))

1.4.2 家庭外部网络认证阶段

• 步骤 1 ：IAS 向 EAS 广播设备的漫游票据。
  • (Roaming_{Ticket}: IAS \xrightarrow{Broadcast} EAS)
• 步骤 2 ：设备从家庭内部网络漫游到家庭外部网络时，使用 EAS 的公钥对漫游票据进行加密，并传输设备 ID。
  • ([Roaming_{Ticket}] {E {EAS_{KU}}}, Device_{ID})
• 步骤 3 ：EAS 解密并验证漫游票据。
  • (Roaming_{Ticket} = Sign_{IAS}(IAS_{ID}, Device_{ID}, h(Roaming_{Value})))
• 步骤 4 ：验证通过后，设备可获得服务并通过 EAS 访问家庭内部网络。

1.5 方案分析

• 使用基于 ID 的公钥方法进行加密，在移动和通信过程中防止外部攻击，并通过签名提供安全保障。
• 基于 (Roaming_{Value}) 和 (Roaming_{Ticket}) 对设备进行认证，实现从外部家庭网络访问内部家庭网络或接收连续服务。
• 基于漫游票据提供快速认证，为设备提供不间断的漫游服务。
• 使用基于 ID 的公钥，不仅在同构网络之间，还在异构网络之间提供漫游和认证，通过向外部认证服务器传输漫游票据提供安全高效的认证。
• 考虑普适环境和设备运算能力，使用基于 ID 的公钥方法代替基于认证的公钥方法，减少设备运算量，降低设备和认证服务器的负载，但在指数运算方面还需进一步考虑。
• 通过提交授权票据提供快速认证，主设备可接收并分发家庭认证服务器为子设备颁发的授权票据，实现快速认证。

2. 新 IT 服务信息安全相关内容

2.1 新 IT 服务与信息安全

随着全球化推进，政府制定 IT 政策推动 IT 产业发展，但信息化带来的信息安全问题日益频繁，如垃圾邮件、黑客攻击、私人信息泄露和盗窃等。为推广新 IT 服务，需要建立信息安全等级评估系统。为此，分析了国内外的等级认证系统，开发了反映 IT 服务自身特点的实用推进系统和评估模型。

2.2 信息化成熟度和信息安全认证案例分析

2.2.1 信息化成熟度模型

• 信息技术架构（ITA） ：与企业架构相同，是规划和管理整个企业业务流程和 IT 的基础设施。其成熟度与新 IT 服务信息安全等级认证的相似之处在于评估目标（获得治理和投资回报），都需考虑 IT、信息安全以及业务流程目标和产出，评估 IT 与信息安全系统流程的一致性。不同之处在于，ITA 成熟度针对组织，新 IT 服务信息安全等级评估针对服务，评估时需考虑内外部组织及与资源的关系。
• 能力成熟度模型集成（CMMI） ：是软件工程机构开发的软件质量度量模型，是软件 SW - CMMI 的改进版本。与新 IT 服务信息安全等级评估的评估目标和对象不同，但评估步骤和方法可指示改进方向，需应用于新 IT 服务信息安全等级评估。
• IT 基础设施库（ITIL） ：是实施 IT 服务管理框架的一系列文档，针对企业内部复杂 IT 环境提供面向服务/流程的框架。与新 IT 服务信息安全等级评估在评估目标和对象上有共性，都旨在提高组织治理和评估服务能力，但评估范围不同，ITIL 仅评估流程和功能，新 IT 服务信息安全等级评估包括服务架构。

2.2.2 信息安全验证案例分析

• 系统安全工程 - 能力成熟度模型（SSE - CMM） ：是通过流程改进促进成本降低和流程执行能力的过程改进模型，将信息安全管理过程定义为风险过程、认证过程和工程过程的循环活动，通过风险过程推导信息安全风险，通过工程过程消除风险。
• 联邦信息安全管理法案（FISMA） ：要求政府部门制定企业信息安全计划以保护信息和信息系统，记录并实施该计划。为确保信息安全控制的效率和充分性，要求负责人对信息安全计划进行年度检查并报告，还促使组织实现信息化。

2.3 新 IT 服务特点及信息安全现状分析

2.3.1 WiBro 服务介绍

WiBro 服务类似于移动电话，可随时随地提供互联网接入，介于无线局域网和移动电话之间。其特点是提供中低速（约 60km/h）移动性和超过 1Mbps 的数据传输速率，常用于公共交通如公交车、地铁和汽车。但在高速公路和时速超过 60km/h 的火车等环境中存在问题。为安全提供商业 WiBro 服务，需解决各种技术问题，其中最重要的是安全问题，安全需求如下：
- 认证和信息安全服务需求 ：提供认证服务，防止第三方用户通过网络进行非法使用或访问，提供安全服务，防止用户请求/响应信息暴露给第三方。
- 网络安全需求 ：提供访问控制验证功能，基于可扩展认证协议提供验证和安全协议，必要时基于公钥基础设施进行扩展，在与其他网络连接时为其他网络提供服务验证，通过移动 IP 提供 IP 移动性。
- 端点安全需求 ：基于可扩展认证协议提供验证和安全协议，必要时基于公钥基础设施进行扩展。

2.4 新 IT 服务信息安全评估框架

2.4.1 新 IT 服务特点

本研究定义的“IT 服务”是 ICT 服务提供商自身的业务，通过为客户提供 IT 服务追求价值或利润，与普通 IT 服务不同。研究的新 IT 服务是 IT 服务提供商基于与其他服务提供商的合作，为客户提供各种服务以获取利润。新 IT 服务信息安全架构基于这些 IT 服务概念，必须推导并反映信息安全需求。

下面是家庭内部网络认证和票据颁发阶段的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[设备和 IAS 生成密钥及 OTP] --> B[设备加密并传输信息]
    B --> C[IAS 解密并比较 OTP]
    C -->|认证成功| D[IAS 生成漫游值和票据并加密传输]
    D --> E[设备解密并比较漫游值]

通过以上对家庭网络设备认证授权和新 IT 服务信息安全的研究，我们可以看到在不同领域都面临着安全挑战，并且都在不断探索有效的解决方案以保障系统的安全、高效运行。在家庭网络中，通过合理的认证授权协议提高设备访问的安全性和便捷性；在新 IT 服务中，通过建立信息安全等级评估系统应对日益复杂的信息安全问题。

3. 家庭网络设备认证与新 IT 服务信息安全的关联与对比

3.1 关联分析

家庭网络设备认证和新 IT 服务信息安全虽然应用场景有所不同，但在本质上都围绕着信息安全这一核心。家庭网络设备认证是保障家庭内部网络安全的基础，确保只有合法设备能够接入家庭网络并获取服务。而新 IT 服务信息安全则是在更广泛的层面上，保障新 IT 服务在推广和使用过程中的安全性。

从技术手段上看，两者都运用了加密、认证等技术。家庭网络设备认证协议中使用基于 ID 的公钥方法进行加密和签名，以防止外部攻击和确保数据的完整性；新 IT 服务信息安全评估也会涉及到对加密算法、认证机制等的考量，确保服务在传输和存储过程中的安全性。

此外，两者都需要考虑用户的便捷性和系统的效率。家庭网络设备认证协议通过提供基于 ID 的认证/授权，实现了安全与效率的平衡；新 IT 服务信息安全评估也需要在保障安全的前提下，确保服务的高效运行，不影响用户体验。

3.2 对比分析

家庭网络设备认证主要关注家庭内部网络环境下设备的接入和使用安全，重点在于设备与认证服务器之间的交互和认证过程。而新 IT 服务信息安全则涉及到更广泛的服务领域，包括不同类型的 IT 服务提供商、多种网络环境以及大量的用户数据。

在安全需求方面，家庭网络设备认证主要防范家庭网络内部的非法接入和信息泄露；新 IT 服务信息安全则需要应对更复杂的安全威胁，如网络攻击、数据泄露、服务中断等。

在认证方式上，家庭网络设备认证采用基于 ID 的公钥和双线性映射等技术，实现设备的身份认证和授权；新 IT 服务信息安全评估则可能会综合考虑多种认证方式，如用户认证、设备认证、服务认证等，以确保整个服务生态系统的安全性。

对比项	家庭网络设备认证	新 IT 服务信息安全
应用场景	家庭内部网络	广泛的 IT 服务领域
安全重点	设备接入和使用安全	服务的整体安全性
安全需求	防范家庭网络内部威胁	应对复杂的网络安全威胁
认证方式	基于 ID 的公钥和双线性映射	综合多种认证方式

4. 未来发展趋势与展望

4.1 家庭网络设备认证的发展趋势

• 智能化与自动化 ：随着智能家居设备的不断普及，家庭网络设备认证将更加智能化和自动化。设备能够自动识别和连接到家庭网络，无需用户手动干预，提高用户体验。
• 多因素认证 ：为了提高认证的安全性，未来可能会采用多因素认证方式，如结合生物识别技术（指纹识别、面部识别等）、地理位置信息等，确保只有合法用户和设备能够接入家庭网络。
• 与物联网的融合 ：家庭网络设备作为物联网的重要组成部分，未来的认证协议将更好地与物联网技术融合，实现设备之间的互联互通和数据共享，同时保障数据的安全传输。

4.2 新 IT 服务信息安全的发展趋势

• 零信任架构 ：零信任架构将成为新 IT 服务信息安全的主流趋势。该架构基于“默认不信任，始终验证”的原则，对任何试图访问服务的用户、设备和应用都进行严格的认证和授权，确保服务的安全性。
• 人工智能与机器学习的应用 ：利用人工智能和机器学习技术，能够实时监测和分析网络流量、用户行为等数据，及时发现和防范潜在的安全威胁，提高信息安全的响应速度和准确性。
• 行业标准与规范的完善 ：随着新 IT 服务的不断发展，行业将制定更加完善的信息安全标准和规范，引导企业加强信息安全管理，提高整个行业的信息安全水平。

4.3 两者融合发展的展望

家庭网络设备认证和新 IT 服务信息安全将逐渐融合发展，形成一个更加统一、高效的安全体系。例如，家庭网络设备可以作为新 IT 服务的接入终端，通过统一的认证和授权机制，实现对家庭网络和新 IT 服务的安全访问。同时，新 IT 服务的信息安全技术也可以应用到家庭网络设备认证中，提高家庭网络的安全性。

下面是未来发展趋势的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[家庭网络设备认证发展趋势] --> B[智能化与自动化]
    A --> C[多因素认证]
    A --> D[与物联网融合]
    E[新 IT 服务信息安全发展趋势] --> F[零信任架构]
    E --> G[人工智能与机器学习应用]
    E --> H[行业标准完善]
    I[两者融合发展] --> J[统一认证授权机制]
    I --> K[技术相互应用]

5. 总结

通过对家庭网络设备认证和新 IT 服务信息安全的研究，我们深入了解了这两个领域的现状、技术和发展趋势。在家庭网络设备认证方面，基于 ID 的公钥认证协议为家庭网络提供了安全、便捷的设备接入和授权方式，但在指数运算等方面还需要进一步优化。在新 IT 服务信息安全方面，建立信息安全等级评估系统是应对日益复杂的信息安全问题的关键，同时需要借鉴先进的技术和理念，不断完善安全体系。

未来，家庭网络设备认证和新 IT 服务信息安全将相互融合，共同构建一个更加安全、高效的信息环境。我们需要持续关注技术的发展动态，不断探索创新的解决方案，以应对不断变化的安全挑战，保障用户的信息安全和隐私。

同时，企业和用户也应该加强信息安全意识，积极采取安全措施，共同营造一个安全可靠的网络空间。无论是家庭网络还是新 IT 服务，信息安全都是至关重要的，只有保障了信息安全，才能推动信息技术的健康发展，为人们的生活和工作带来更多的便利和价值。