摘  要： 利用有色Petri網(wǎng)建模工具CPN tools中的查詢函數(shù)對安全屬性進行描述,，搭建一個能夠覆蓋大部分安全性質的CPN查詢函數(shù)庫，提出一種基于CPN的通用和規(guī)范的安全協(xié)議形式化分析語言,，該語言可以像用面向對象編程語言編程一樣對安全協(xié)議進行建模,。
關鍵詞： 有色Petri網(wǎng)；安全協(xié)議,；形式化分析,；面向對象編程語言

　如何在一個無法確定的操作環(huán)境下，保證計算機間傳送信息的安全性,，從而確保通信雙方主體之間的“信任”以及通信數(shù)據(jù)的秘密和完整,，其中安全協(xié)議對保障網(wǎng)絡安全起到至關重要的作用。但一些著名的協(xié)議在使用了相當長的時間后,，相繼被發(fā)現(xiàn)存在有若干安全漏洞,。由于安全協(xié)議的運行是處于某種不安全的環(huán)境中，很難用人工識別的方法來分析其安全性，必須借助形式化的分析方法或工具來完成,。
　關于安全協(xié)議的形式化分析,，國內外學者基于不同的模型進行了不少有益的研究。如Yasinsac提出的通用安全協(xié)議分析語言CPAL[1],、Millen開發(fā)的通用認證協(xié)議說明語言CAPSL[2],、李夢君等人用擴展Horn邏輯模型對安全協(xié)議進行分析和驗證方法[3]、懷進鵬等人用代數(shù)模型來研究協(xié)議的安全性[4],、WE等人基于有色Petri網(wǎng)CPN(Coloured Petri Net)提出一種集成的安全協(xié)議分析模型[5],。
　現(xiàn)有的方法大多針對個別協(xié)議進行分析，很少能夠通用于大部分的安全協(xié)議,，并且大部分的方法還停留在理論上,，缺少自動分析的工具[6]。
　本文利用CPN tools建模語言(CPN ML)中的查詢函數(shù)對安全屬性進行描述,，然后對CPN tools工具在規(guī)范協(xié)議描述,、簡化協(xié)議建模、自動檢測進行擴展三方面,，搭建一個能夠覆蓋大部分安全性質的CPN查詢函數(shù)庫,，提出一種基于CPN的通用和規(guī)范的安全協(xié)議形式化分析語言，該語言可以像用面向對象編程語言編程一樣對安全協(xié)議進行建模,。
1 基于CPN的安全協(xié)議
1.1 有色Petri網(wǎng)(CPN)理論研究
　Petri網(wǎng)是一種可用于多種系統(tǒng)的圖形化,、數(shù)學化建模工具,，為描述和研究具有并行,、異步、分布式和隨機性等特征的復雜系統(tǒng)提供了強有力的手段,。
　作為一種圖形化工具,，可以把Petri網(wǎng)看作與數(shù)據(jù)流圖和網(wǎng)絡相似的方法來描述系統(tǒng)模型；作為一種數(shù)學化工具,，它可以用來建立狀態(tài)方程,、代數(shù)方程和其他描述系統(tǒng)行為的數(shù)學模型。
在CPN模型中,，有色標志表示系統(tǒng)中不同的資源,，同時每個位置都與特定的顏色集綁定，表示該位置中只能存放相應顏色的標志,。在弧上和變遷上標注的條件表達式和運算函數(shù)是用于解釋弧的權值,、運算所用的顏色以及變遷觸發(fā)的條件。
　CPN tools是一個專用于有色Petri網(wǎng)編輯,、模擬和分析的工具,，除了有強大的CPN分析工具外，它還有簡潔緊湊的CPN圖形編輯工具，幾乎所有的CPN元素(除數(shù)據(jù)類型,、變量申明外)都能在模型圖中表示,。
　CPN是將Petri網(wǎng)具有相似性質的元素分類，用不同顏色區(qū)分不同類別,，每一種顏色用一種標識符號來表示,，將某種屬性賦予標記。

1.2 基于CPN的安全協(xié)議
　安全協(xié)議的形式化分析與驗證是一個復雜的過程,，首先都要用形式化方法的語義對安全協(xié)議進行描述與建模,。然而，從協(xié)議的非形式化描述,，尤其是自然語言描述轉變成形式化說明的過程可能會有錯誤發(fā)生,，將直接導致后續(xù)分析的不確定性。同時一些形式化方法的提出都是從個別安全協(xié)議出發(fā)來設計規(guī)范的術語,，遇見了新的協(xié)議形式,，再對原有規(guī)范加以擴展，這樣的形式化術語存在通用性差的問題,。所以在進行安全協(xié)議的形式化描述與建模之前,，需要采用通用的安全協(xié)議形式化說明加以規(guī)范。
　為了使得通用安全協(xié)議說明更加適合于Petri網(wǎng)方法,，本文在CAPSL的基礎上抽象出通用安全協(xié)議的基本要素,，在此基礎上建立與Petri網(wǎng)要素的一一對應，如表1所示,。

2 對安全協(xié)議的描述和函數(shù)庫的創(chuàng)建
　CPN tools提供給每個變遷一個用CPN ML語言編程的程序編輯區(qū),。當變遷發(fā)生時，執(zhí)行所編輯的程序,，完成所需的功能,。程序編輯區(qū)有三條固定的語句：input()、output(),、action(),，分別表示輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和執(zhí)行語句,。
2.1 用CPN ML語言對安全屬性進行描述
　安全協(xié)議的重要安全性質包括：機密性,、認證性、完整性,。描述如下：
機密性：針對受保護的特定內容t的泄密狀態(tài)來進行定義：
PredAllNodes(fn n=>cf(t,，Mark.Intruder′BUFF1 n)>0)
該函數(shù)表示搜索所有的狀態(tài)結點，如果有結點滿足斷言函數(shù)fn,，說明機密信息t泄露,。
認證性：實體經(jīng)過解密或者驗證簽名來實現(xiàn)認證，并在其緩沖區(qū)中保留認證成功的證據(jù)，類型為AUT的顏色集colset AUT=with auth,； 同時保留被認證者的身份的名稱,。用查詢函數(shù)來定義：
PredAllNodes(fn n=>cf(auth，Mark.A′BUFF1 n)>0 andalso
cf(auth,， Mark. B′BUFF 1 n) >0 andalso cf(t,， Mark.In’BUFF 1 n)>0)
完整性：安全協(xié)議確保交互的消息不能被篡改、刪除和替代,，或者至少消息的改變是可以被發(fā)現(xiàn)的,。用形式化定義來表示：
　PredAllNodes(fn n=>cf(auth，Mark.A′BUFF 1 n)>0
andalso cf(auth,，Mark.B’BUFF 1 n)>0 andalso
(cf(t,， Mark.A′BUFF 1 n)>0 andalso cf(t′，Mark.A′BUFF 1 n)<=0)
2.2 搭建安全協(xié)議的CPN查詢函數(shù)庫
　先建立好一個函數(shù)模型庫,，對應于常見的密碼學操作,，并不斷地擴展。上層實體通過函數(shù)調用的方式,，利用分層建模的設置子頁面工具將上層操作變遷與函數(shù)對應起來,。
通用安全協(xié)議的功能層其實就是安全協(xié)議函數(shù)庫，即在底層先建立好一個函數(shù)模型庫,，對應于常見的密碼學操作,，并不斷地擴展。上層實體只需要通過函數(shù)調用的方式,，利用分層建模的設置子頁面工具將上層操作變遷與函數(shù)對應起來就可以了,。
　在上面描述和對擴展的基礎上，建立一個安全性質查詢函數(shù)庫,。本文建立了一個能夠覆蓋絕大部分安全性質的查詢函數(shù)庫,，用戶只需要調用相應函數(shù)即可完成協(xié)議的相關安全性質的檢查而不需要自己利用CPN ML語言編寫查詢函數(shù),。
2.3 一種基于CPN的通用安全協(xié)議形式化分析方法
　本項目利用前面基于CPN的安全協(xié)議描述,、對CPN tools的擴展、CPN的安全協(xié)議操作函數(shù)庫的建立,，再結合實體模型中類似面向對象的類,、派生對象概念，利用通用和規(guī)范的方法建模,，提出一種基于CPN的通用安全協(xié)議形式化分析語言,，該語言使用時就像用面向對象編程語言進行編程一樣方便有效。
基于CPN的安全協(xié)議形式化分析語言工作流程圖如圖1所示,。

　針對具體協(xié)議,，將安全屬性用CPN ML查詢函數(shù)進行形式化描述：首先用斷言函數(shù)定義不安全狀態(tài)，即協(xié)議滿足安全屬性時不可能出現(xiàn)的狀態(tài)，如會話密鑰泄露時的狀態(tài),；再定義搜索函數(shù)對狀態(tài)空間的所有狀態(tài)進行斷言函數(shù)的測試,，尋找符合的結點標識；最后運行搜索查詢函數(shù),，分析實驗結果,。
3 應用舉例
　本文以ASW(Asokan-Shoup-Waidner)協(xié)議為例，利用本文提出的基于CPN模型對協(xié)議的安全性進行分析,。
3.1 基于CPN模型對協(xié)議建模
　ASW協(xié)議由exchange,、abort、resolve_A和resolve_B 4個子協(xié)議構成,。在正常情況下,，只執(zhí)行exchange子協(xié)議。僅當A或B認為協(xié)議執(zhí)行出現(xiàn)問題時,，才執(zhí)行其他子協(xié)議,。
協(xié)議的exchange子協(xié)議具體描述如下：
　EOO=(me1，Na),；EOR=(me1,，me2，Nb),；EOD=affidavit_token
　其中,，Na、Nb分別為A與B生成的臨時值,；m為A向B發(fā)送的電子郵件,；C={m，Na,，Ka,，Kb}Kttp是加密電子郵件。
　Exchange sub-protocol：
A→B：me1=Ka,，Kb,，TTP，C,，h(m),，{Ka，Kb,，TTP,，C，h(m)}Ka-1
      IF B gives up THEN quit ELSE
B→A：me2=h(Nb),，{me1,，h(Nb)}Kb-1
      IF A gives up THEN abort ELSE
A→B：me3=m,，Na
      IF B gives up THEN resolve_B ELSE
B→A：me4=Nb
      IF A gives up THEN resolve_A ELSE
Abort sub-protocol：
A→TTP：ma1=aborted，me1,，{aborted,，me1}Ka-1
      IF B has resolved THEN resolve_A ELSE
TTP→A：abort_token=aborted，ma1,，{aborted,，ma1}Kttp-1
Resolve_B sub-protocol：
B→TTP：mrb1=Kb，me1,，me2,，Nb
      IF aborted THEN
TTP→B：mrb2=abort_token
      ELSE
TTP→B：mrb3=m， a
Resolve A sub-protocol：
A→TTP：mra1=Ka,，me1,，me2，m,，Na
      IF aborted THEN
TTP→A：mra2=abort_token
      ELSE
TTP→A：affidavit_token=affidavit,，mra1，{affidavit,，mra1}Kttp-1
　在exchange子協(xié)議中,，如圖2所示，Alice生成me1并發(fā)送給B,。如果A在合理的時間范圍內沒有收到me2,，A將異常終止協(xié)議；否則,，A將me3發(fā)送給B,。如果等待me4的時間超時了，A將異常終止協(xié)議并激活resolve_A子協(xié)議,；否則,，exchange子協(xié)議成功運行結束。函數(shù)gen_time(result)隨機生成了一個延遲時間,。條件if temptime<timeout,， then 1′1 else 1′0判斷超時是否發(fā)生。在這個模型中,，由于使用了隨機數(shù)作為延遲時間,，超時的發(fā)生是隨機的,。如果me1的接收是超時的,Bob將退出協(xié)議,，否則Bob生成臨時值Nb，并將me2發(fā)送給A,。接著,，如果B沒有及時收到消息me3,，B將激活resolve_B子協(xié)議，否則,，B將消息me4發(fā)送給A,。

3.2分析和驗證
　本文分別針對在exchange子協(xié)議異常終止和正常結束的兩種情況下進行模型檢測。因此在計算完全部狀態(tài)空間后,，修改了函數(shù)fun Verif_Fairness,，分別執(zhí)行了以下兩個ML查詢函數(shù)：
fun Verif_Fairness_suc (con_id：INT， succeed：SIGNAL)：
Node list
=PredAllNodes (fn n=>
cf(con_id,，Mark.Alice' veri_result2 1 n)<>
cf(con_id,，Mark.Bob' veri_result2 1 n) andalso
cf(succeed，Mark.Alice’end 1 n)==1) ),；
fun Verif_Fairness_fail (amsg：AMSG,，，emsg：EMSG,，
rmsg：RMSG)：Node list
=PredAllNodes (fn n=>
cf(amsg,， Mark.TTP' abort_token 1 n)<>empty andalso
cf(emsg， Mark.TTP' TTP2B 1 n)<>empty andalso
cf(rmsg,， Mark.TTP’ TTP2A 1 n)<>empty) ),；
　函數(shù)fun Verif_Fairness_suc查詢的是在exchange子協(xié)議正常結束的情況下，是否有不滿足公平性的狀態(tài),。結果為0,，說明當exchange子協(xié)議成功結束后，協(xié)議滿足可追究性和公平性,。相反,，fun Verif_Fairness_fail的查詢結果列出了一些不安全狀態(tài)，說明當協(xié)議異常終止后,，不滿足安全性,。
　本文將面向對象方法及其概念(如類、對象,、函數(shù)等)引入建模中,，并直接嵌入通用安全協(xié)議描述中，以此為基礎的協(xié)議建模就具有了抽象,、重用,、繼承等性質，簡化了建模過程,，使得圖型化的CPN建模能夠像面向對象編程語言一樣方便和有效,。利用CPN tools提供的復制和分層次工具實現(xiàn)函數(shù)調用以及派生實體的快速建模，將面向對象思想中的派生實體與函數(shù)調用思想應用于建模過程中,。本文提出通用的安全協(xié)議分析語言,，具有通用性,、易用性、圖形化等特點,。
參考文獻
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[6] Wei Jin,， Su Guiping. An integrated model to analyze cryptographic protocols with colored Petri Nets. In Proceeing[C]. 11th IEEE Symposium on  High Assurance Systems Engineering Symposium，2008.