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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
密碼是保障網絡安(an)全的核心技術和基礎支(zhi)撐，在維護國家安全、促(cu)進(jin)經濟社會发展、保護人民(min)群衆利益中发挥着不可替代的重(zhong)要作用。“云物移大智”的蓬(peng)勃发展，5G、智慧城(cheng)市(shi)、互聯網 + 政務服務的全力推進(jin)，离不開用密碼技術來保障網絡安全、保護数據安全、保證網上誠(cheng)信，需要密碼(ma)學(xue)與其他學科深入合作，需要密碼產業與其他產業的深(shen)度融合(he)，需(xu)要產學研管用(yong)的真誠协作，需(xu)要全社會共同傳播密碼(ma)知识與政策、研究密碼應用技術(shu)、推(tui)進密碼應用方案(an)。
摘要
随着第五代移動(dong)通信技術（Fifth Generation：5G）標準(zhun)體系的不断完善與演進，5G在電(dian)信運營、工業互(hu)聯網(wang)、智能(neng)製造、车聯網等多(duo)個關键领域获得了(le)前所未有的關注和投入，然而在實际部署過程中5G仍然(ran)面臨着身份伪造、数據窃(qie)取、中間人攻擊等多層(ceng)次安全挑战(zhan)。针(zhen)對(dui)5G終端的接入安全和数(shu)據安全这(zhe)兩大核心問題，需要指出(chu)並采用合適的密碼技術解決方案。對於(yu)接入(ru)認證問題，可以采用无證书密碼體製、基於(yu)同(tong)態加密的数據聚合機製，以及基於身(shen)份的聚(ju)合簽密等密碼技術來解決，这些方案能够(gou)在不依赖傳統公钥基礎設施的前提下實現(xian)身份驗證。對於数據存储和(he)共享安全問題，可以采用屬性基加密和抗密钥泄(xie)露技術來解決，有效防止在云端存储阶段的(de)信息泄露。
引言
随着人們對通(tong)信網絡的性能和安全需求不断提高，第五代移動通信技術发展迅猛並得到了前(qian)所未有(you)的關注。5G 是為(wei)實現萬物互聯而提出的新一代移動通信技術，5G 技術越來越受(shou)到各行各業的關注(zhu)，也成為學術(shu)领域研究的一個熱點。在 5G 安全研究方面(mian)，3GPP、5G PPP、NGMN、ITU-2020 推進(jin)組、愛立信、諾基亚和華為也(ye)发布了各自(zi)的 5G 安全需(xu)求白(bai)皮书 。
目前 5G 還處於发展的初期，面對的挑战(zhan)也各式各樣(yang)。未來的(de) 5G 无線網絡將具有灵活性、開放性和高(gao)度异(yi)構性，不仅可以提供傳統的语(yu)音和(he)数據通信，也有很多(duo)新的應用案例，包括(kuo)从车辆到车(che)辆、车辆到基礎(chu)設施的通信、智能(neng)電網、智能城(cheng)市以(yi)及智慧医疗等等。
大(da)規模的設備使用异構无線(xian)接入系統進行通信，可能(neng)會导致許多互聯互通問題，因此需要考虑安全性機(ji)製以及无(wu)縫切换等問題。5G 无線網絡進行通信時，庞大的数據流在網絡中(zhong)含(han)有大量隐私和敏感信息，為了確保隐私不被泄漏，在終端受(shou)限的情(qing)况下，還需要考虑(lv)高效的数據與隐(yin)私保護技術。
总之，為(wei)了(le)促進5G的健康快速发展，有必要將5G和密碼學知识相結合。在5G安全防(fang)護體系中，接入認證、数據采集、数據存(cun)储與共享等環節涉及的安全問題需(xu)要深入研究，这(zhe)些環節贯穿5G網絡的全生命周(zhou)期，直接關系到用(yong)戶信息保護和網絡運行稳定性。
5G安全中的密碼學技術
1.1 无證书密碼體製
无證书密碼體製作為当代(dai)公钥密碼學领域的重要创新(xin)，通過架構設計的優化有效解(jie)決了基於身份密碼體製中长期存在的密钥托管(guan)問題，同時規避了傳統公钥密碼體製在實际應用中面臨的复(fu)雜證书管理负(fu)擔。在密碼學发展历程中，Al-Riyami和Paterson兩位學者在2003年亚密會上首次系統性(xing)地提出了无證书公钥密碼體製(zhi)的理论框架，並基於椭圆曲線上的雙線性對数學(xue)結構構造了第一個具有實际可行性(xing)的无證书簽名方案，為后續(xu)相關密碼體製的研究與應用奠(dian)定了坚實基礎。
Liu 等人 提出了一(yi)種基於无證书短簽名的匿名相(xiang)互認證方案，用於實現车(che)聯網中(zhong)的车辆與路边單元互相認證，该方案在随機预(yu)言機模型中的自適應選擇消息攻擊下具有不可伪造性(xing)。
Yeh 等人针對物聯網環(huan)境中资源受限的智能設備(bei)特點，提出了一個新的无證书簽名(ming)方(fang)案，该方案在降(jiang)低計算與存储開(kai)銷的同時，為設
Jia等人(ren)經過深入分析发現，Yeh等人提出的无證书簽名方案存在多個層面的安(an)全缺陷，具體(ti)表現為敵手可以冒充密钥生成(cheng)中心為任意用戶颁发部分私钥而不被系統檢測到，这種伪(wei)造行為难以被发現(xian)。
宋等人针對当前车(che)聯網應用中匿(ni)名認證所面臨的安全性與效率問題，提出一種基於非線性對的(de)车聯網无證书批量匿名(ming)認證方案。该方案采用无證书无(wu)雙線性對運算的批量認證方(fang)式，通過簡化密钥管理流(liu)程(cheng)和减少复雜数學運算，使得計算與(yu)存储開銷较低，这對於车辆頻繁加入與(yu)退出(chu)、網絡拓扑動態變化的高動態车载網絡來說有着(zhe)重要意(yi)義。在物聯網設備普遍(bian)面臨計算能力和能源供(gong)應限製的背景下，无證书簽名方案成為在(zai)此類资源受限設備中提供安全(quan)認證的潜在方法之一，因此設計可證明(ming)安全且高效的无證书簽名方案值得進(jin)一步研究。
1.2 基於同態加密(mi)的数據聚合(he)技術
当前在密碼學领(ling)域應用最為廣泛的同態加密技術是Paillier同態加(jia)密算法，该算法的核心(xin)特性在於對(dui)加密后所得密文實施特定数學操作，其結果仍(reng)保持同(tong)態性質。然而这種基於同態加密的隐(yin)私保護方案虽然成功實現了数據隐私性的保護目(mu)標，但在安全(quan)設(she)計上存在明顯的防伪性缺陷。在實(shi)际應用場景中，敵手可以冒充合法(fa)用戶身份伪造密文或對原密文進(jin)行篡改，進(jin)而將恶意構造的密文发送至上一級網點進行傳播(bo)。
為了有效(xiao)解決智(zhi)能電網中的数據安全傳輸問題，需要將身份認證技術與隐私保護的数據聚合(he)方(fang)案進行深度融合。在隐私保護(hu)的数據聚合领域，學(xue)術界已积累了豐富的(de)研究基礎。Lu等人結合数字簽名(ming)技術，基於Paillier同態加(jia)密算法提出了一(yi)種適用於智能電網的数據聚合方案，通過加密機製確保数據在聚合過程中(zhong)的機密性。Zhang等人通(tong)過引入先哈希后點加的创新思想，提出了一個改進的数據(ju)聚合方案，该方法在計算效率與安全性之間取得良好平衡。针(zhen)對智能電網(wang)多級網絡環境的复雜需求，周等人設計了一種(zhong)多(duo)維数據聚合方案，能够適應分布(bu)式網絡拓扑中多層級節點之間的数據(ju)交互。
1.3 聚合簽密技術
在5G網絡環境下，物聯網設(she)備的大規模接入認證安全問題構(gou)成了5G網絡安全防護體系(xi)中必须重點考虑的(de)基礎環節。簽密作為一種密碼(ma)學(xue)原语，能够在合理的逻輯步(bu)骤内同(tong)時實現對消息的簽名和加密兩項功能，从而(er)在單一操作中完成身(shen)份驗證和数據保護。随着移動互聯網業(ye)務(wu)的发展，用戶終端数量呈(cheng)現出快速增长的趨勢(shi)，导致現有的接(jie)入認證方(fang)式容易引起系統资源消耗過大和信令擁塞問題，这在高並发(fa)的通信場景中尤(you)為顯著。為了有效解決認證效率低下和资源浪費的(de)困境，可將基於身份的聚合簽密方案引入到終(zhong)端與網絡之間的認證過程中(zhong)。
2009年Selvi等人率先提出了一個基於身份的聚合簽密方案，並給出了形式化安全性證明。随后Lu等人提出一個(ge)基於雙線性對的无證书聚合簽密(mi)方案，但该方案存(cun)在不具有公開可驗證性的缺(que)陷，且在簽密和驗(yan)證阶段需要執行较多的雙線性運算，导致整體計算效率不高。為(wei)了在密碼學應用中保(bao)護发送者的身份隐私，Hong等人提出了一個具有隐私保護特性的(de)聚(ju)合簽密方案，並通過具體分析說明(ming)了该方案(an)在车载網絡中的實际應用价值。在移(yi)動通信领域的新发展方面，Cao等人利用聚合簽密(mi)技術高效地實現了5G環境下的設備認證與数據安全傳輸，充分展現(xian)了该技術在現代无(wu)線網絡中的應用潜力。
1.4 屬性基加密技術
屬性基加密(mi)(Attribute-Based Encryption: ABE)作為一種細粒度访(fang)問控製(zhi)的密碼學原语，其理论基礎由Sahai等(deng)人在(zai)2005年正式(shi)提出。ABE的核心優勢在於能够在保護数據機密性的同時實現灵活的访問授權機製，使得数據擁(yong)有者可以根據用(yong)戶的多維屬性特征來定義谁有權访問何種数據。根據访(fang)問策略的具(ju)體實現方式和決策者身份的不同，ABE技術框架被劃分為兩個(ge)主要分支：其一是密钥策略下的ABE(Key-Policy ABE: KP-ABE)，此類方(fang)案中密钥生成方持(chi)有访問策略的控製權；其(qi)二(er)是密文策略下的ABE(Ciphertext-Policy ABE: CP-ABE)，该方案允許加(jia)密方在数據加密時直接嵌入访問(wen)策略。
CP-ABE密碼學技術使得数據擁有者能够自主製定灵活(huo)的访問策略(lve)，並將该策略直接嵌入(ru)到数據密文之中，形成策略(lve)與(yu)密文的紧密結合。当数據的使(shi)用者所擁有的屬性集合(he)與密文中预設的访問控製策略相匹配時，使(shi)用者才能順利執行解密(mi)操作获取原始数據；反之(zhi)則无法解密。
為了使用戶能够快速地找到所需的密文，Wang 等人 提出了支持關键字(zi)搜索(suo)的 ABE 方(fang)案(an)；為(wei)了减少屬(shu)性授權中心的權力，文献 研究了多中(zhong)心(xin)的ABE 方(fang)案(an)；為了提高用戶的效率，Li 等人 設計了具有外包(bao)解密功能的(de) ABE 方(fang)案(an)；為(wei)了(le)支持屬性的動態撤銷，Cui 等人 提出(chu)了屬性可撤銷(xiao)的 ABE 方(fang)案(an)；為了缓解数據加密過程的計算负(fu)擔，文献提(ti)出了支(zhi)持离線計算的 ABE 方(fang)案(an)；為了防(fang)止私钥的(de)滥用，Ning 等人提(ti)出了叛(pan)逆者可追蹤的 ABE 方(fang)案(an)。
上(shang)述方案的访問控製策略采用明文(wen)存储方式，存在用戶(hu)隐私数據泄露的安全(quan)隐患，特別是在云(yun)計算和物聯網等分布式應用(yong)環境中，未(wei)加密(mi)的策略信息可能被非授權方访問。
1.5 抗泄漏加密技術
抗泄漏密碼(ma)學旨在(zai)設計現實生活中安全的密碼方案，即在現實生(sheng)活中能够抵抗一定程度的边信道攻擊(ji)的密碼學方案。抗泄(xie)漏(lou)密碼方案的設計已經成為了密碼學界研究的熱點。
2009 年Akavia 等人首次(ci)提出公(gong)钥密碼體製下的抗边信道攻擊方案 。紧接着 Alwen 等人也相繼提出新的抗(kang)泄漏公钥(yao)加密機製，使新(xin)方案能抵抗(kang)更多泄漏並且是選擇密文攻擊安全的 。
在身份(fen)加密體系的(de)學術研究中，2017年Li等人针對连續密钥泄漏威胁設計了(le)基於身份的廣播加(jia)密方案，並通過形式(shi)化安全證明驗證
2018年，學術界在密钥泄漏防護领域取得重要進展。Zhou等人基於抗连續泄漏模型構造了一個新的基於身(shen)份的(de)加密方案，為身份密碼系統的安全性提供了(le)理论基礎(chu)。Zhan等人設計了一個(ge)抗密钥泄漏的雙態仿射函数加密(mi)方案，在攻擊者获得主密钥部(bu)分信息的情况下(xia)仍能保證语義安全性，这在實际應用中具有重要意義。Sun等人構造了抗密钥泄漏(lou)基於身份(fen)加密的密碼方案，並通過嚴格(ge)的安(an)全性分析證明该方案具有選擇密文安全的特性，能够抵御已知明(ming)文攻擊。
02
密(mi)碼技術(shu)在5G安全中的應(ying)用
随着移動(dong)互聯網、物聯網及(ji)行業應用(yong)的爆发式增长，未來(lai)移動通信將面臨(lin)千倍数據流量增长和千億設備聯網需求。5G 安全機製除了要满足(zu)基本通信安全(quan)要求之外，還需要(yao)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新型(xing)網絡架構，保護用戶隐(yin)私，並提供開放的安(an)全能力。5G 不同的接入技術有不同的安全需求(qiu)和接(jie)入認證機製，同一個終端在不同(tong)接入方式之間進行切换時或用(yong)戶在使用不同終端進行同一個業務時，要求能進行快速認證以保持業務(wu)的延續性从而(er)获得更好的用戶體驗。
5G作為第五代移動通(tong)信網絡，將傳統的人與人连接模式升級拓展到(dao)了萬物互聯的(de)新阶段，為智慧城(cheng)市(shi)、智慧医疗(liao)、智(zhi)能電網等战略性產業领域的建設與发展提供了一種更加優化的无線通信解決方案。鉴於實际(ji)通信(xin)環境中業務需求的多樣性、未知性和(he)复雜性等突出特點，現代通信網絡必须坚(jian)持適度超(chao)前的建設理念，提(ti)前進行技術储備與基礎設施部(bu)署，从而提前满足未來各類應用場(chang)景的多(duo)元化業務承载需求。5G網絡面(mian)臨的新(xin)发展趨勢，尤其(qi)是5G新業務(wu)形(xing)態、新網絡架構、新關键技術的持續(xu)演進，對於数據安全防護和用戶隐私保護都提出了(le)前所未(wei)有的新挑战。在5G網絡環境下，通信場景已(yi)从早期的人與人通信拓展到人與物(wu)、物與物的多維立體通信模式(shi)。面對規模庞大的成百上億物聯網設備的集中接入(ru)與實(shi)時通信需求，如何確(que)保海量数據的安全性與用戶隐私保護(hu)的有效性成為極具挑战性的重要課題。
2.1 无證书密碼體(ti)製在 5G 物聯網数據安全(quan)采集中的應(ying)用
该密碼體製可應用於 5G 无(wu)線網絡環境下基於物聯網設備的安全(quan)数據采集，减轻傳統(tong)公钥基礎(chu)設施中的證书管理负擔。不依赖於受信任的第(di)三方，无證书公钥加密技(ji)術便於用戶建立私钥和相應的公(gong)钥。
在5G物聯網應用場景(jing)下，无證书簽名系統的運作流程具體描述(shu)如下：首先由密钥生成中心產生一個秘(mi)密(mi)钥、一個公钥和公開系統參数，密钥生成中(zhong)心(xin)根據接入設備的身份信息以及秘密钥計算並產生接入設備的部分秘密钥。密钥生(sheng)成中心随(sui)后把部分秘密钥发送給接入設備，接入設備收到后首(shou)先(xian)需要檢查部分秘密钥的有效性。若檢(jian)測通過，接入設備則選擇(ze)一個随機数作為秘(mi)密钥的另一部分，由(you)此(ci)完成秘密钥的組合。
接入(ru)設(she)備的密钥生成流程采用分布式架構，由密钥生成中心與設備协作(zuo)完成。設備首先接收系統參数及密钥生成中心(xin)產生的部分秘(mi)密钥，随后結合自身(shen)產生的另一部分秘密钥，通(tong)過数學運算最終合成完整的私钥；同時根據系統(tong)參数與自身產生(sheng)的秘密钥部分生成對應的公钥。
2.2 同態加(jia)密在 5G 智能電網電力(li)安全回收中的應用
作(zuo)為 5G 的一個代(dai)表性用例，智能(neng)電網的(de)一個重要目標是提高能源利用率。随着(zhe)物聯網技術(shu)的快速发展，车聯網的研(yan)究受到(dao)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(neng)電網中，為了實時满足(zu)海量用戶對於電能的需求，把车聯網中的海量電動汽车(che)作為储存電能(neng)的備用設備具有重要的實际意義。在用電低峰期，電動汽车停车期間(jian)可以通過智能(neng)電網進行充電，利用富余(yu)產能(neng)；在用電高峰期，電動汽车可以把多余的電能(neng)注入到智能電網(wang)中以获取收益，形成典型的车網互動應用場景。这種雙(shuang)向能量流轉(zhuan)機製能够有效平抑電網负荷波動。為了保(bao)障智能電網的稳(wen)定運行，電力公司必须對電動汽车注入的電量進行統計，掌握分布式储(chu)能资源的整體投入情况(kuang)。由於智能(neng)電網中的交易敏感性以及電動汽车用電情况涉及到用戶(hu)隐私，有必要(yao)保(bao)證電力公司只能获得電動汽车注入的总電量，不能获得某個時隙的電量注入份额，从而(er)在(zai)保護用戶数據隐私的同時完成電力交結算。
基於同態(tai)加(jia)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(mi)文(wen)，利用同態(tai)加密算法的性質(zhi)可以得到总回收電量的密文，並將密文发送給(gei)電力公司。電力公司最后利用自己的私钥進行解密可以得到回收的总電(dian)量。
2.3 聚合簽密(mi)技術在 5G 大規模物聯網設(she)備接入認證中(zhong)的應用
随着无線通信技(ji)術的快速发展(zhan)，出現(xian)了種類(lei)繁多、数量巨大的物(wu)聯網終端設(she)備接入網絡获得相應的服務。例如智能電網、智能家居、智能城市(shi)等，覆(fu)盖了能源、家庭、安(an)防等多個行業(ye)领域。而大多数物聯網終端設備都處於開放的網絡環境下，對於安全性需求未給予足够重視的設備很容易(yi)遭受到恶(e)意攻擊。
物聯網終端(duan)接入方式在 5G 中主(zhu)要是无線接入，在海量的接入場景下，如果對每個終端逐一進行認證將(jiang)带來高昂(ang)的認證成本，效率(lv)也不盡人(ren)意。特別地，在很多数據感知應用中，大量的物聯網設備通(tong)常被同時唤醒，以實現對采集数據的統一收集和處理。
在这一過(guo)程中，既要考(kao)虑設備身份(fen)的有效性，又需(xu)要考虑未(wei)來通信的機密性。采用聚合(he)簽(qian)密技術，可以讓每個物聯網設備對采集的数據進(jin)行簽密，將簽密密(mi)文发送給一個指(zhi)定的設備，该設備采用聚(ju)合算(suan)法對收到的簽密密文進行聚合，得(de)到长度很小的密文发送給處(chu)理中心。最(zui)后由處理中心對(dui)簽密密文進行驗證和解密，同時實現設備的身份認證和所发送数據(ju)的可靠性檢驗(yan) 。
2.4 屬性基加密(mi)技術在云存储安全(quan)中的應用
在云計算環境下，為了防止数據擁有者(zhe)的隐(yin)私泄漏，在(zai)共(gong)享数據前，数據擁有者需要將(jiang)文件進行加密，当(dang)密文上傳到云服務前(qian)，可以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(ni)名的(de)访問控製結構中，这樣能(neng)够實現数據和(he)屬性的同時隐藏。
在云環境下(xia)的数據共享模型中涉及到四個(ge)實體：数據擁有(you)者、数據使用者、云服務器和屬(shu)性授權中心。屬性中心负(fu)責系統的初始化(hua)，然后得到系統的主私钥和公開參数，公布系統參数，同時保存(cun)系統(tong)主私钥。系統用戶，包含数據擁有者和数據使用者，根據自身的屬性通過屬性(xing)中心進(jin)行注册，然后屬性中(zhong)心(xin)為其分发相應的私钥。数據(ju)擁有者通過(guo)製定的策略加密文件资源，然后上傳到(dao)云服務器上。云服(fu)器负(fu)責密文的存储。最后，数據使用者(zhe)下载密文，仅当数據使用者屬性满足访問控製結構時才(cai)能正確解密密文。
2.5 抗泄(xie)漏(lou)密碼技術在数據安全中的應用
5G 網絡中業務和場景的多(duo)樣性(xing)，以及網絡的開放性(xing)，使用戶隐(yin)私信息从封闭的平臺轉(zhuan)移到開放的平臺上，隐私(si)泄漏的風险也因此增加。在公開的云存储網絡環(huan)境中，数據的共享能够給数據的使用者带(dai)來(lai)很多便利。在加密過程中，数據擁有(you)者根據指定访(fang)問数據的用戶身份作為公钥加密数據，在(zai)解密過程中，只有数據擁有者指定的用戶才能够正確地解密密文。
在 5G 環境(jing)下，上述過程可(ke)以實現数(shu)據共享，但用戶私钥(yao)泄漏的(de)風险也增加了。若解密過程(cheng)中的私(si)钥部分泄漏或者完全泄漏，則用(yong)戶(hu)的数據隐私將得不到保障。為了避免現有(you)密碼算法没有考虑各種攻擊存在的情况下而导致(zhi)的部分隐私泄漏問題，可以采用(yong)抗(kang)密钥泄漏的基於身份加密算法來進行数據加密上傳，解(jie)密下载(zai)。在抗密钥泄漏的基於(yu)身份加密(mi)系統中，共有四個實體：数據所有者(zhe)、共享数據使用者、權威中心、云端数(shu)據存储中心。
權威(wei)中心负責生成系統公開參数(shu)和主私钥，並進一步生成公私钥(yao)給数據所有(you)者和共享数據使用者；云端数據存储中心负責存储(chu)数據；数據所有者负責利(li)用公開參数和共享数據使用(yong)者的身份信息加密文件並上傳到云存储中心，数據使用(yong)者负責下载密文並用自己的私钥(yao)解密密文，得到原始数據。只有(you)数據擁有者指定的用戶才能够(gou)正確解密密文。
03
結 语
移動通信技術的每一次更新(xin)都為我們的日常生活與工作带了巨大(da)的便利，第五代移動通信发展更是受到各個(ge)领域前所未有的(de)關注。在 5G網絡(luo)中，大量隐(yin)私和敏感信息進行(xing)通信傳輸時，確保隐私(si)不被泄漏已成為人們首(shou)要關注的問題。本文對 5G 通(tong)信中存在的安全(quan)問題進行分析，並(bing)且针對该安全問題提出了相應的解決方案(an)。此外，給出了密碼學技(ji)術在 5G 中的(de)潜(qian)在應用場景。
作者簡介 >>>鄭东，西安郵電大學教(jiao)授(shou)，博士，主要研究方向為(wei)无(wu)線網絡安全與编碼密碼學，摩石實驗室兼職專家。张應輝，西安郵電大學教(jiao)授(shou)，博士，主要研究方向為公钥密碼學、无線網絡(luo)安全(quan)和云存储安全。選自《信息安全與通信保密》2019年第一期 （為便於排版，已省去原文(wen)參(can)考文献）
