مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

مثال 1. در FinHilb، که گروه ابعاد محدود فضاهای هیلبرت هستند، اشیاء فضاهای ابعاد محدود فضاهای هیلبرت فراتراز اعداد پیچیده هستند، مورفیسم ها نقشه های خطی هستند. هویت ها عملکرد هویت در هر فضای هیلبرت است. ترکیب ترتیبی ترکیبی از نقشه های خطی است.
تعریف 2(عملگر). فرض کنید C و D دسته بندی شده اند. یک عملگرF: C → D تعریف می شود با
• برای هر شی A ∈ ob (C) یک شی F (A) ∈ ob (D).
• برای هر مورفیسم f ∈ C (A، B) یک مورفیسم F (f) ∈ D (F (A)، F (B)) اینگونه
F (f ◦ g) = F (f) ◦ F (g) و F (1A) = 1F (A).

3.1 تعریف مکمل قابل مشاهده
17 (مکمل قابل مشاهده [11]). دو قابل مشاهده (A، M1، U1)و (A، m2، u2) در a † -SMC مکمل است اگر موارد زیر مشروح باشند
• COMP1: هر وقت k: I → A برای (m1، u1) کلاسیک است، برای آن بی طرف است m2 u2•)
• COMP2: هر زمان k: I → A برای (m2، u2) کلاسیک است، برای آن بی طرف است (m1، u1).
هرکوبیت قابل مشاهده (C2، m، u) دارای دو نقطه کلاسیک است. انها را به ترتیب با U و Uنشان می دهیم.
مثال 12. در FinHilb، برای جسم C2، Ox،Oy و Oz به صورت جفت های مکمل هستند. به طور کلی، هر دو قطر عمود بر کرهBloch نشان دهنده دو مشاهده گر مکمل است.

4. توزیع کلید: پروتکل سه فازه تعمیم یافته کوانتوم
پروتکل سه گذره در رمزنگاری [25] پروتکلی است که امکان ارسال پیام بصورت ایمن از طرف اول به ارسال پیام به طرف دوم با تبادل سه پیام رمزگذاری شده را فراهم می کند. ایده اساسی پروتکل سه گذره این است که هر کدام از طرفها کلید های خصوصی برای رمزگذاری و رمزگشایی دارد و به طور مستقل از کلیدهای خود استفاده می کنند، ابتدا برای رمزگذاری و سپس برای رمزگشایی پیام
به صورت غیر رسمی، پروتکل سه گذر برای آلیس بصورت مخفیانه یک شی را به باب ارسال می کند به شرح زیر:
1. آلیس شی را در یک جعبه قرار می دهد، جعبه را قفل می کند و آن را به باب می فرستد
2. باب قفل خود را به جعبه اضافه می کند و آن را به آلیس می فرستد.
3. آلیس قفل خود را برمیدارد و جعبه را به باب می فرستد.
این پروتکل می تواند با استفاده از عملیات منحصر به فرد OR ⊕ در رمزنگاری کلاسیک اجر اشود.
1. برای یک بیت x، آلیس آن را با کلید Ka خودش رمزگذاری می کند و سپس بیت رمزگذاری شده (x ⊕ K) رابه باب ارسال میکند.
2. باب بیت رمزگشایی شده را با کلید Kb خودش رمزگذاری می کندو x⊕ka) ⊕kb را به آلیس ارسال می کند.
3. آلیس آنچه را که توسط Ka دریافت کرده است رارمزگذاری می کند ((x⊕ka) ⊕kb) ⊕ka =x ⊕ kb. سپس x ⊕ kb را به باب می فرستد.
پروتکل سه گذره کوانتومی برای شنیدن مقاومت میکند . یکی از ضررهای پروتکل سه گذره کوانتومی کاناموری و یو این است که فضای کلیدی رمزگذاری آنها یک مجموعه بی نهایت است. اخیرا، Qiu و همکاران [27] پروتکل های سه فازه کوانتومی دیگر در چارچوب CQM را توسعه می دهند به طوری که اندازه فضای کلیدی به طور قابل توجهی کوچکتر میشود. در این مقاله، پروتکل پیشنهاد شده در27 را تعمیم می دهیم.
با توجه به دو مشاهدات تکمیلی داده شده از کوبیدها (C2، m1، u1) و (C2، m2، u2)از جفت نقاط کلاسیک از یک ساختار قابل مشاهده استفاده می کنیم، می گویند u1 و u1،برای کد کردن 0 و 1 به ترتیب. فضای کلیدی ما برای رمزگذاری و رمزگشایی کلید = {S3 (0)، S3 (π است2)، S3 (π)، S3 (3π2)}است. فرض می کنیم (k، k †) یک جفت کلید رمزگذاری /رمزگشایی است ، که در آن k † = S3 (2π – iπ2) برای k = S3 (iπ2).

قضیه 2. پروتکل کوانتوم سه گذری صحیح است.
اثبات: فرض کنید آلیس u را بعنوان کلید خودش و باب v را بعنوان کلید خودش انتخاب می کند، پس مشتقات گرافیکی زیر را داریم:
که بدان معناست که ترکیب ترتیبی عملیات 2 نهاد به کاررفته در پروتکل معادل با اپراتور هویت است. بنابراین، کوبیت بصورتی صحیح انتقال می یابد.
امنیت بیشتر پروتکل های موجود از توزیع کلید برای کنترل دسترسی در محیط های ابری متکی بر پیچیدگی محاسباتی مسائلی همچون فاکتورازیسیون اصلی است. بنابراین زمانی که یک کامپیوتر کوانتوم ساخته می شود، پروتکل آنها ممکن است در زمان چند جمله ای به خطر بیافتد [29]. در نتیجه، پروتکل خودمان با توجه به کامپیوترهای کوانتوم امن است، از آنجا که این امنیت اطلاعاتی را با توجه به متمم مشاهدات ارائه می کند. در اینجا یک پروتکل توزیع کلید از نقطه نظر اطلاعاتی امن است اگر که داده ها باشند.
قضیه 3. پروتکل سه گذری کوانتوم از منظر اطلاعاتی امن است بدین معنا که کوبیتی که در هر مرحله از پروتکل منتقل می شود که در کل حالتی ترکیبی می باشد.
اثبات: این یک نتیجه ساده از قضایای 1 و 2 است.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده:
برنامه های کاربردی اینترنت بسیار سریع در حال رشد و پیشرفت می باشند. با توجه به پیشرفت تکنولوژی، ایمن ترین روش انتقال داده ها در اینترنت، تبدیل شدن به عملکردی پرسشی می باشد. افراد مزاحم داده ها را هک می کنند و از آن ها برای اهداف خود استفاده می نمایند. برای جلوگیری از این اقدامات نامناسب، از رمزنگاری برای تضمین امنیت پیام های مخفی و ایمن استفاده می شود.
1. مقدمه:
حجم داده ها در حال افزایش است و پیچیدگی آن ها نیز در حال رشد می باشد. بیش از 93% از تمامی داده ها، دیجیال می باشند. مقدار اطلاعاتی که سالانه وارد دنیای دیجیتال می شوند، حدودا برابر با 988 EB است. دنیای دیجیتال از ابتدای سال 2010 تا پایان سال 2020، تا 50 برابر رشد خواهد داشت. اطلاعات متعددی از منابعی مانند کتاب، کتاب های الکترونیکی، تصاویرف روزنامه ها و مجلات، مطالب تحقیقاتی، اسناد دولتی، پایگاه داده ها، و … گرداوری شده اند. از اینرو، به امنیت این منابع و برنامه ها نیاز می باشد. امنیت داده ها یکی از عوامل مهم یک سازمان، برای حفظ اطلاعات از رقابت های مختلف سازمانی می باشد. این کار به تضمین حریم خصوصی اطلاعات شخصی کاربران از دسترسی سایر افراد کمک می کند. زمان و انتقال ایمن داده ها همیشه یکی از جنبه های مهم برای تمامی سازمان ها بوده است. امنیت سیستم در دو حالت رده بندی شده است که در شکل زیر نشان داده شده است.
الف: اهداف رمزنگاری:
رمزنگاری چند هدف دارد. این اهداف را می توان به طور همزمان در یک برنامه به دست آورد، و یا تنها به یکی از آن ها دسترسی پیدا کرد. این اهداف عبارتند از:
1. احراز هویت: برای اثبات هویت شخصی آن ها.
2. محرمانه: این مورد تضمین می دهد که هیچ کس، به جز کسی که رمز را می داند، نمی تواند پیام دریافتی را متوجه شود.
3. ترکیب داده ها: دریافت کننده، پیامی دریافت می کند که تغییر نیافته و یا اخطاری از منشاء خود نمی باشد.
4. انکارناپذیری: ثابت می کند که، فرستنده این پیام را ارسال کرده است، و پیغام توسط فرد خاصی دریافت شده است، بنابراین، گیرنده نمی تواند ادعا کند که پیغام ارسال نشده است.
5. کنترل دسترسی: که فرآیند جلوگیری از استفاده ی غیرمجاز از منابع می باشد.
ب: الگوی کلی و مفاهیم بنیادی:
رمز: زمینه ی مربوط به رمزگذاری و رمزگشایی که با این نام شناخته می شود.
رمزگذاری: این مورد، انتقال داده های خواندنی و قابل درک به حالت دیگری است که نمی توان برای امنیت داده ها آن ها را درک کرد.
رمزگشا: فردی است که متخصص تجزیه و تحلیل و شکستن کدها می باشد.
بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

Internet applications are increased and growing at very fast. Owing towards the technological development, secured way of data transmission over the internet is becoming a questioning task. Intruders hack the data and use it for their beneficial purpose. To avoid these undesirable acts, cryptography is used to ensure security of the covert and secure message. Although encrypted data is difficult to decipher, it is relatively easy to detect. Strong encryption algorithms and proper key management techniques for the systems will helps in achieving confidentiality, authentication and integrity of data. In this research work various encryption (symmetric and asymmetric) algorithms have been studied. Literature Survey has been carried out for cryptography by incorporating key papers related to data encryption based on performance metrics (Security and Time constraints). From this, the observation and future work has been identified.

I. INTRODUCTION

The volume of data is exploding and complexity of data is growing. Above 93% of all data is born digital. The amount of information added annually to the digital universe was about 988 EB (almost 1ZB). The digital universe will have 50 fold growths from beginning of 2010 to the end of 2020. The various information are collected from the sources like books, eBooks, images, journals, research publications, government documents, databases, etc. So, there is a need for securing these sources and applications. Data security is one of the essential components of an organization to keep the information safe from various organization competitors. It will help to ensure the privacy of user personal information from others who are accessing. Time and securely transmission of data is always an important aspect for all organizations. Security of the system is classified in two main types as shown in Fig.1 below.  Cryptography plays a major role in protecting the secret information in various applications. Information security is one of an important area of research under cryptography. The applications such as e-banking, ecommerce, medical databases, e-mail, and some more, all of them require the exchange of private confidential information. Military secret message is used to protect the National Security in military application. These are some of the applications involved. Cryptography and steganography are closely related concepts. Cryptography is secret writing and steganography is about hidden writing. Watermarking is other data hiding method similar to steganography. 

A. Cryptography goals Cryptography has some goals. These goals can be either achieve all at the same time in one application, or only one of them in one application. These goals are: 1. Authentication: To prove their own identities. Example: Login access. 2. Confidentiality: This ensures that nobody can understand the received message except the one who has the decipher key. 3. Data Integrity: The receiver receives message which has not been modified or altered from its original form. 4. Non-Repudiation: Prove that the sender sent this message, and the message was received by the specified person, so the recipient cannot claim that the message was not sent [20]. 5. Access Control: Process of preventing an unauthorized use of resources. This goal controls who can have access to the resources, if one can access, under which restrictions and conditions the access can be occurred, and what is the permission level of a given access.

B. General Model and Fundamental Concepts Cryptology: The field of both cryptography and cryptanalysis is called cryptology [20]. Cryptography: It is the transformation of readable and understandable data into another form which cannot be understood in order to secure data. A cryptography is a Greek word. “Kryptos” means hidden, and “graphikos” which means writing. Crypto Analyst (Cryptanalyst): A person who is an expert in analyzing and breaking codes.Computer security: A set of tools are used to protect any data from intruders/hackers, theft, corruption, or natural disaster while allowing these data to be available to the users at the same time. One example of these tools is the Kaspersky antivirus program [20]. Network security: It refers to any activity designed with some goals like integrity, confidentiality and protecting the data during their transmission on a network. Information security: It is about how to prevent attacks, and to detect attacks on information-based systems [20]. Fig.2 explains about the general model for cryptography. Plaintext: Original text message which has to be encrypted. Cipher text: Encrypted text message. Key: It is a word or value that is used for encrypting the plain text or decrypts the cipher text [20]. Encryption: The method of converting the data into other coded form with the help of key Decryption: A method of transforming the encrypted data to the original form with the help of key. Section 2 discusses the literature survey. Section 3 introduces the cryptographic types. Section 4 discusses the observations. Section 5 & 6 will be future direction and conclusion.

Centralized Solution to securely transfer Payment Information electronically to banks from Multiple Enterprise Resource Planning (ERP) Systems

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

تجزیه و تحلیل ادبیات قبلی، چالش های مشخصی را در فرایند پرداخت ایجاد کرده که در ذیل فهرست شده اند. زیرساخت متمرکز پیشنهادی برای انتقال امن اطلاعات پرداخت به بانک ها از عهده چالشهای مشاهده شده برمی آید.
3. چالش های رودر روی مدل موجود
الف. اقدام به کلاهبرداری در خلال تراکنش های پرداخت
بنگاه هایی که از چارچوب های ERP بهره می برند، داده های مربوطه را با بانک مبادله می کنند. این تبادل اطلاعات با بانک با استفاده از فایلی انجام می شود که شامل جزئیات پرداخت، مقدار، واحد پول و اعتبارات حساب بانکی می باشد. بیشتر مواقع این داده های منتقل شده مستعد اقدامات کلاهبرداری یا بواسطه تغییر شماره حساب یا تغییر مقدار انتقالی می باشد.

ب. پردازش دستی ناکارآمد
بخش قابل پرداخت حساب در یک سازمان، نقشی حیاتی در تبادل اطلاعات پرداخت تأمین کنندگان یا کارمندان با بانک، ایفا می کند. فرایند پرداخت و تأییدات بعدی می تواند با استفاده از برنامه های کاربردی ERP بطور خودکار انجام شود و اگر بطور دستی صورت گیرد زمان قابل ملاحظه ای طول می کشد. تحقیق گیت پوینت انجام شده توسط تیپالتی [9]، نشان می دهد که 72 پاسخ دهنده بیش از 5 ساعت در هفته وقت صرف تنظیم دریافت کنندگان، انجام و صدور پرداخت ها، حل مسائل مرتبط با پرداخت، و اجرای سایر هماهنگی های مرتبط با پرداخت ها می کنند. این نظرسنجی علاوه براین تخمین زده که 48% پاسخ دهندگان یا گزارش های پرداخت را دستی به بانک ارسال کرده اند یا از اطلاعات چارچوب های ERP بهره گرفته اند. بعد از این فرایند، ارتقاء و روزآمدکردن داده ها، یک کار دستی می شود که نه تنها خطر امکان تقلب را افزایش می دهد بلکه همچنین هماهنگی داده ها را دشوار می سازد. این شیوه های دستی مستعد خطا و سوءتعبیر هستند.
پ. تراکنش های غیراستاندارد از طریق درگاه های پرداخت
چهار تا از پنج بنگاه بخاطر عدم وجود فرایندهای پرداختی استاندارد دارند فعالیتهایشان را در معرض ارائه نادرست اطلاعات پرداخت قرار می دهند [10]. این سازمانها با سطح بالای پیچیدگی متحمل تکثیر هزینه های عملیاتی و تراکنشی هستند. بنابراین علاقه رو به رشدی برای کنترل ها وجود دارد و این مستلزم یک زیرساخت متمرکز با پایه امن برای مبادله داده های پرداخت با بانک می باشد.

ت. روابط و تراکنش های بانکداری چندگانه
پرداخت های بانک به بانک و قابلیت اتصال به بانک با مسائلی مواجه هستند درخصوص چارچوب های واگرای شبکه های ERP چندگانه که تراکنش ها را از بانک های مختلف به هم مرتبط می کنند. این شبکه پرداخت در محیط های بانکداری چندگانه، قویتر و پیچیده تر است. گزارش ارائه شده توسط سانگارد توضیح می دهد که این پیچیدگی باعث شده تراکنش های کسب وکار 25 % سازمانها با بیش از 10 بانک مدیریت پول نقد سروکار داشته باشد، 23% سازمانها بیش از هزاران حساب بانکی را مدیریت کنند [11]. درحالی که 89% سازمانها، فعالیتهای کسب و کارشان را در سرتاسر کشورهای مختلف گسترش داده اند، این خدمات بانکداری بین المللی برای بیش از 55% فعالیتهایی که درآمدی بالغ بر 1 میلیون دلار به بار می آورند به تراکنش های بانکداری الکترونیکی متصل شده اند. از کل تراکنش هایی که بطور بین المللی صورت می گیرد، 29% خدمات بانکداری با گزارش هک شدن داده ها، خدمات جعلی و سوء تعبیر داده ها مواجه بودند [11]. فرصتها برای امنیت و تفسیر دقیق داده ها توسط سازمانها تشخیص داده نمی شود تا تهدیدات امنیتی کاهش یابد.

4. حالت های مختلف پرداخت
اصلی ترین روشهای پرداخت، چک های الکترونیک، خانه های تصفیه خودکار (ACH) و انتقال صندوق های الکترونیکی (EFT) هستند [12]. مطالعه انجام شده توسط سانگارد روی پرداخت های بانک به بانک براساس تجزیه و تحلیل 400 متخصص خزانه داری و امورمالی، نشان می دهد که 15% از پاسخ دهندگان بیشتر از چک های کاغذی استفاده می کنند تا روشهای پرداخت رایج مثل کارت های اعتباری/ بدهی ، ACH و EFT. این سازمانها هنوز از چک هایی استفاده می کنند که با خطرات وخیم کلاهبرداری و تقلب مواجه هستند [11]. شکل 1، سهم استفاده غالب از روشهای پرداخت را نشان می دهد.

الف. چک
یک تجزیه و تحلیل از نظرسنجی انجام شده توسط انجمن متخصصان امورمالی ، چک را برجسته ترین روش پرداخت می شناسد که درمعرض کلاهبرداری و مسبب اتلاف بیشترین مقدار دلار در سال 2014 بوده است. مناسبات بانکیبرای مبارزه با این زیان ها، اصلاح و تحول به راه حل های دیجیتال را با سرعتی کندتر، آغاز کرده است [13]. حداقل کردن استفاده و اعتماد به چک، سوءتعبیر و کلاهبرداری را در فرایندهای دستی کاهش می دهد [14].
پرداخت مثبت یک ابزار تشخیص خودکار است که توسط بانک های پیشرو برای شناسایی فعالیتهای جعلی از طریق تأیید اعتبار شماره حساب، جزئیات مالی، شماره های چک از روی فهرستی از شماره های چک مجاز صادر شده توسط بانک لحاظ شده است.

ب. ACH
کارACH، کنترل سازگاری جریان پرداخت و کاهش ارائه نادرست اطلاعات چک با استفاده از رکوردهای ACH برای پردازش پرداخت به کارمندان، بازگانان، و سایر ذینفعان مربوطه می باشد. ACH، حجم وسیعی از تراکنشات اعتباری و بدهی را مدیریت می کند [15].

ج. EFT
یک فایل پرداخت الکترونیک منفرد از طریق تلفیق سیستم های ERP متفاوت و فرمت های مختلف EDI با پرداخت های چندگانه، داد و ستد می کند.

الگوریتم های رمزنگاری برای انتقال تصویر پزشکی امن

Crypto-based algorithms for secured medical image transmission

Abstract

Booming telemedicine applications makes it deemed necessary to provide security services for such applications. The algorithms proposed in this field can be grouped into three classes: watermarking-based algorithms, crypto-based algorithms and hybrid algorithms. In this study, the authors propose two crypto-based algorithms capable of providing confidentiality, authenticity and integrity services to medical images exchanged in telemedicine applications. Strong cryptographic functions with internally generated symmetric keys and hash codes are used. The advanced encryption standard-Galois counter mode is used with the whirlpool hash function to provide confidentiality and authenticity, and the elliptic curve digital signature algorithm is used to provide authenticity and integrity. The proposed algorithms are based on the digital imaging and communication in medicine (DICOM) standard; however, unlike the standard, the algorithms provide confidentiality, authenticity and integrity for the header data, as well as for the pixel data of the DICOM images. Effectiveness of the proposed algorithms is evaluated and demonstrated through extensive experimentation using a benchmark set of DICOM images.

1 Introduction

Telemedicine is a modern medical care practice facilitated by the deployment of communication and information systems into the healthcare infrastructure. Numerous benefits are gained by telemedicine applications such as remote diagnosis and consultation among physicians, access to centralised medical archives and medical remote-distance learning [1, 2]. With these benefits, however, there are concomitant risks for medical data circulating in open networks, and thus being easily accessible by intruders [3, 4]. Therefore professionals working in the medical field have expressed their urgent need for secured schemes and methods capable of providing safe exchange of medical images and records.

The importance of a secured exchange of medical images has paved the way for international healthcare organisations to publish special standards that deal with medical data security issues. One such standard is the digital imaging and communication in medicine (DICOM) standard [5, 6]. The standard provides guidelines and mechanisms to healthcare professionals and entities to achieve three telemedicine security services: confidentiality, authenticity and integrity [7]. The confidentiality service is necessary to prevent illegal access to the transmitted images, whereas the integrity and authenticity services are needed to verify ownership and detect tampering of the received images. Currently, cryptography and digital watermarking technologies are used to implement schemes and algorithms capable of providing the required security services to telemedicine applications.

The crypto-based approach for achieving security in the medical information exchange systems is based on the application of cryptographic functions such as symmetric encryption, hashing and digital signatures [8]. Symmetric encryption provides confidentiality for the transmitted images using block ciphers and stream ciphers, whereas hashing and digital signatures verify authenticity and strict integrity of the received images. On the other hand, digital image watermarking is the practice of hiding secret data into digital medical images [9, 10]. Confidentiality is achieved by embedding the patient’s private data as robust watermarks, whereas authenticity and integrity are achieved by hiding robust and fragile watermarks into the medical images [11]. Although the embedded watermarks are almost imperceptible to the human eye, the very idea of embedding, and thus degrading the medical image, may induce severe resistance to its adoption by medical standards and professionals.

In this paper, we propose two crypto-based algorithms capable of providing confidentiality and verifying authenticity and integrity of DICOM images. Unlike the DICOM standard and other crypto-based schemes, the proposed algorithms provide confidentiality, authenticity and integrity for both constitutes of the DICOM images: the header data and the pixel data. Strong cryptographic functions with externally and internally generated symmetric keys and hash codes are used in the implementation of the algorithms. The remaining of the paper is organised as follows. Section 2 describes recent secured telemedicine schemes and algorithms relevant to the proposed algorithms. The cryptographic functions used in the implementation of the algorithms are described in Section 3. The proposed algorithms are described in Section 4, and their performance results are presented and analysed in Section 5. Discussion and conclusions are given in Section 6.

تجزیه و تحلیل تكنيک های رمزنگاری و امنيتی برای ارائه رای گیری الکترونیکی قابل اثبات و سری

Analysis of Security and Cryptographic Approaches to Provide Secret and Verifiable Electronic Voting

Abstract

Electronic voting systems are inextricably bound to security and cryptographic techniques. Over the last decades, countless techniques have been proposed to face the dangers of electronic voting systems with mathematical precision. Certainly, the majority of these works address secrecy and verifiability. In this chapter security and cryptographic techniques are analyzed with respect to those security properties that can be evaluated on the basis of these techniques, namely secrecy, fairness, integrity, and verifiability. Furthermore, we shortly discuss their adequacy to ensure further relevant properties like eligibility and uniqueness, and evaluate security and cryptographic techniques with respect to the costs that come along with their real-world application. We conclude the chapter with a summary of the evaluation results, which can serve as guideline for decision-makers.

1 Introduction

The history of elections reaches back to the ancient Greece and ancient Rome where citizens elected public positions. The implementation of elections has changed over thousands of years from showing of hands to throwing stones and shards into buckets, up to filling paper ballots and throwing them into sealed urns. Since the 1960s, electronic systems are gaining the public interest due to the possible benefits of accurate, fast, and cheap elections. Early electronic voting systems were implemented as voting machines, only since the 1990s, remote electronic voting systems enter the field and turn out to be a promising implementation of absentee voting. Throughout this chapter, we consider only remote electronic voting and use the term electronic voting interchangeably.

Electronic voting systems are inextricably bound to security and cryptographic (SnC) techniques to provide secret, fair, and verifiable elections as well as integrity. Note, SnC techniques considered throughout this work are detached from identification and authentication mechanisms, as this is an orthogonal research direction to this work. Looking back on more than three decades of research, there is a wide range of security and cryptographic techniques striving for secure electronic voting. These techniques are tailored towards special needs and different compromises are made among different properties. Unfortunately, the security model each of the security properties is based on is not specified clearly or is specified in different ways for different approaches. This makes it difficult to compare the different security and cryptographic techniques proposed for secure electronic voting and thus to decide which is appropriate for a special type of election. This gap is addressed within this chapter. Thereby, we support decision-makers in finding adequate SnC techniques to implement electronic voting with respect to their targeted electoral circumstances.

We focus our analysis on security and cryptographic techniques. Correspondingly, the focus is on those security properties which these techniques can already provide without combining them with identification and authentication techniques and without building the whole voting system. These are: secrecy, fairness, integrity, and verifiability. The concrete definitions of these security properties were derived within an interdisciplinary project between legal and technical scientists. These definitions are provided in this chapter. In addition, we developed a common modular security model allowing us to deduce the degree of fulfillment of these properties for concrete SnC techniques. This security model contains an exhaustive list of adversarial capabilities which were deduced from the literature. This security model is presented in this chapter. We, afterwards, select well known SnC techniques for electronic voting systems from the literature and evaluate them with respect to their security model. Moreover, we shortly discuss the SnC techniques’ adequacy to satisfy further security properties namely eligibility and uniqueness when combined with corresponding identification and authentication techniques, as well as the costs to apply these techniques within real-world applications.

Before diving into the main sections of this chapter, we added a background section. Here, we review the related work, provide an overview of the components involved in the electronic voting process, and the preliminaries required in the remainder of this work. We conclude the chapter with a summary of our work and point the reader to future research directions in the electronic voting community.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

نقص اصلی امنیتی پیاده‌سازی‌های 3D-Secure، که در [19] تأکید شده است، مربوط به تأیید هویت کاربر (مرحله ه) است. برخی از بانک‌ها در گذشته از تاریخ تولد یا دیگر موارد استفاده می‌کردند. بسیاری از بانک‌ها این راه‌حل‌ها را با یک مکانیزم احراز هویت قوی جایگزین کرده‌اند (به‌عنوان مثال پیامی به تلفن همراه کاربر فرستاده می‌شود) و سپس دو عامل تأیید اعتبار (براساس داشتن مالکیت) تلفن‌همراه و دانستن کد PIN برای دسترسی منطقی به آن) مطرح می‌شود. با این حال ما استدلال می‌کنیم که طرح تأیید اعتبار کاربر آسیب‌پذیری قابل توجهی دارد. بنابراین یک رویکرد جدید مبتنی بر بیومتریک پیشنهاد می‌کنیم که این آسیب‌پذیری‌ها را از بین ببرد.
راه‌حل‌های تأیید هویت کاربر، که به‌عنوان خوانندگان CAP، تولیدکنندگان TAN یا سیستم سبک وزن در [17] پیشنهاد شده‌اند، رویکردهای مبتنی بر دانش هستند. بنابراین استدلال می‌کنیم که فقط بیومتریک می‌تواند کاربران را تصدیق کند، درحالی‌که راه‌حل‌های مبتنی بر دانش و اختیار، تنها تأیید اعتبار غیرمستقیم کاربران را برعهده دارند. دلیل اصلی مربوط به ارتباط خاص بین کاربر و تأییدکننده است البته مشکلات خاص مربوط به بیومتریک، در زیر ذکر شده است:
• داده‌های بیومتریک بسیار حساس هستند زیرا نمی‌توانند به طور کلی لغو شوند. رمزگذاری آن ضروری است اما کافی نیست (همانگونه که داده‌ها باید برای تطبیق فرآیند در حالت کلی رمزگشایی شوند و طول عمر داده بسیار بالا است). به همین دلیل استفاده از مرکز ذخیره‌سازی داده‌های بیومتریک مشکل‌ساز است.
فرآیند تطبیق می‌تواند اشتباهات واقعی به هنگام راهنمایی کاربران ایجاد کند و افراد متخلف می‌توانند به اشتباه پذیرفته شوند. این مسئله برای تأیید رمز عبور تا زمانی که رمز صحیح تایپ شده است درست نیست (اما هیچ اثباتی وجود ندارد که توسط کاربر واقعی تایپ شده است).
• داده‌های بیومتریک را می‌توان در حین انتقال آن متوقف کرد. این امر می‌تواند به مشکلات امنیتی منجر شود، مانند حملات پاسخ و حملات حریم خصوصی براساس قابلیت اتصال. به همین علت، داده‌های بیومتریک باید قابل لغو و پویا باشمد (تغییر در هر تراکنش).
در این مقاله، یک راه‌حل جدید را پیشنهاد می‌کنیم که این مشکلات را حل می‌کند. برای دستیابی به یک راه‌حل استاندارد امنیتی و حفظ حریم خصوصی، دو عنصر را ترکیب می‌کنیم: یکی از آنها یک دستگاه خاص متعلق به کاربر به نام OffPAD است و دومی پروتکل استفاده از بیومتریک و الگوریتم‌های قابل لغو است. در بخش بعدی، لیستی از نیازمندی‌های امنیتی و حریم خصوصی را از راه‌حل پیشنهادی بیان می‌کنیم.

3. الزامات امنیتی و حفظ حریم خصوصی
در پرداخت الکترونیکی، چهار عامل اصلی حضور دارند: کاربر C، که دارای OffPAD است، می‌خواهد یک سرویس آنلاین با یک کارت اعتباری، از طریق وب سایت ارائه دهنده خدمات SP خریداری کند. کاربر دارای یک بانک صادرکننده و SP یک بانک خریدار دارد. در این مقاله ارائه‌دهندگان پرداخت را بانک کاربر و بانک SP می‌نامیم. عامل پنجم اغلب درگیر است. این عامل به عنوان شخص ثالث صندوقدار یا دایرکتوری مورد استفاده در 3D-Secure مورداعتماد است. نقش عامل پنجم متفاوت است، اما به طورکلی امکان تایید هویت بانک‌ها را فراهم می‌کند. پروتکل پیشنهادی بر روی احراز هویت کاربر و ثبت نام کاربر با SP تمرکز دارد.
در طول پرداخت آنلاین، اطلاعات شخصی متعددی درگیر هستند و باید در برابر چندین تهدید محافظت شوند [4]. برای حفظ خصوصیات امنیتی و خصوصی، یک لیست از ده مورد الزامات RI تعریف شده است. این الزامات باید در طول احراز هویت / ثبت نام کاربر در معماری پرداخت الکترونیکی در نظر گرفته شوند:
• R1: محرمانه بودن تراکنش‌ها نیازمند آن است که هر کدام از داده‌های مبادله به منظور حفاظت در برابر نهادهای خارجی رمزگذاری شوند.
• R2: یکپارچگی اطلاعات منتقل شده، دقت محتوا و به همین ترتیب تغییر داده‌ها در حین انتقال یا ذخیره‌سازی را ممکن می‌کنند.
• R3: احراز هویت کاربر توسط یک شخص مورد اعتماد، هویت مشتری بسته به وضعیت را تضمین می‌کند، احراز هویت می‌تواند به لطف داده‌های بیومتریک تحقق یابد.
• R4: تأیید اعتبار دستگاه کاربر، معتبر بودن دستگاه در نرم افزار را تایید می‌کند. این احراز هویت می‌تواند به لطف یک شناسه دستگاه تحقق یابد.
• R5: ثابت می‌کند که دستگاه متعلق به کاربر تضمین می‌کند دستگاه را از حملات جایگزینی دستگاه حفظ می‌کند.
• R6: تأیید هویت SP توسط کاربر یا توسط یک بخش مورد اعتماد، هویت SP را تضمین می‌کند.
• R7: تأیید اعتبار بانک توسط یک شخص مورد اعتماد هویت بانک SP و بانک مشتری را تضمین می‌کند.
• R8: عدم پیوند تراکنش‌ها مانع پیوند تراکنش‌های مختلف از همان مشتری می‌شود.
• R9: محرمانه بودن اطلاعات مشتری CI (اصل کمینه سازی داده) تنها دسترسی افراد مجاز به این اطلاعات را تضمین می‌کند. این مورد به بیومتریک داده‌های کاربر نیاز دارد که برای بانک‌ها و SP مشخص نیست.
• R10: حاکمیت اطلاعات بدین معنی است که اطلاعات شخصی مرتبط با مشتری می‌تواند تنها با کنترل پردازش و رضایت او انجام شود.
در بخش بعد، مفهوم OffPAD را به عنوان دستگاهی امن برای تضمین امنیت عملیات حساس معرفی می‌کنیم.

4. مفهوم OFFPAD
PAD (دستگاه تایید شخصی) توسط Jøsang و Pope [13] به‌عنوان یک دستگاه امن خارجی برای پلت‌فرم کامپیوتر مشتری شرح داده شده است. PAD مفهومی پیشین از OffPADاست. OffPAD (دستگاه تأیید هویت آفلاین شخصی) توسط Klevjer و همکارانش [16] و Varmedal و همکارانش توصیف شده است. [26] که یک نسخه پیشرفته از PAD است و یک ویژگی اساسی برای تضمین امنیت آفلاین (ارتباطات ماشین به ماشین) است. OffPAD نشان‌دهنده مدیریت محلی هویت کاربر محور است زیرا امکان مدیریت امن و کاربرپسند را برای هویت‌های دیجیتالی و اعتبارات محلی بر روی کاربر فراهم می‌کند. OffPAD تأیید اعتبار هویت کاربر و ارائه‌دهنده خدمات (به‌عنوان مثال احراز هویت متقابل) را برعهده دارد و علاوه بر این می‌تواند تأیید اعتبار داده را نیز پشتیبانی کند. برای دسترسی به OffPAD، کاربر باید دستگاه را با استفاده از به عنوان مثال، یک پین، رمز عبور، بیومتریک یا سایر کافی اعتبارات احراز هویت باز کند. طراحی OffPAD در شکل 2 نشان داده شده است.
OffPAD یک دستگاه قابل اعتماد است، به این معنی که طوری در نظر گرفته شده که در مقابل حملات مربوطه به اندازه کافی محافظت شده است. OffPAD اتصال محدودی به سیستم عامل مشتری دارد. بنابراین این کانال ارتباطات باید با دقت کنترل شوند، برای مثال با پاکسازی داده‌های دریافت شده. حفاظت در مقابل حملات به دنبال سرقت فیزیکی است که کنترل دسترسی سنتی بر اساس پین و بیومتریک، همراه با سطحی از مقاومت در برابر تهاجم فیزیکی دارد.
بااین‌حال، لازم نیست که سیستم عامل OffPAD و برنامه‌های کاربردی از آسیب‌پذیری‌هایی که به طور معمول در سیستم‌های آنلاین یافت می‌شود در امان باشند، زیرا فرض می‌شود که مهاجمان قادر به بهره‌برداری از چنین آسیب‌پذیری از OffPAD در اکثر موارد آفلاین هستند. بدین معنا که، باگ‌های خاص نرم‌افزاری که آسیب‌پذیری در یک سیستم آنلاین ایجاد می‌کنند به سختی در مورد آسیب‌پذیری در OffPAD صحبت می‌کنند زیرا نمی‌توانند مورد سوء استفاده قرار گیرند. OffPAD ممکن است دارای چندین رابط برای ارتباطات باشد. میکروفون و دوربین ممکن است برای تشخیص صدا و چهره استفاده شود تشخیصگر اثر انگشت می‌تواند برای تأیید هویت استفاده شود. الزامات آفلاین بودن با ارتباط الکترونیکی با OffPAD همراه نیست، اما به این معنی است که ارتباط فرمت‌ها کنترل شده و در مدت زمان کوتاه است. جدا شدن از شبکه‌ها امنیت دستگاه را بهبود می‌بخشد تا کمتر در مقابل حملات خارجی آسیب‌پذیر باشد.
هرگونه ارتباط الکترونیکی خاص باید به طور معمول قطع شود و فقط باید زمانی وصل شود که نیاز به احراز هویت یا مدیریت برای دستگاه NFC با اتصال USB پشتیبان مناسب برای اتصال OffPAD است. در اولین استفاده، هیچ روش رمزنگاری برای تأیید اتصال بین دستگاه و پلت فرم مشتری وجود ندارد، اعتماد باید به‌سادگی براساس تنظیم مشاهده شده باشد. در اولین اتصال، نوعی جفت شدن بین دستگاه و کامپیوتر اتفاق می‌افتد، به‌طوری‌که اتصالات بعدی می‌تواند تأیید شوند که بین دستگاه و رایانه مشابه باشند.
ما از این دستگاه امن برای بانکداری آنلاین و پرداخت الکترونیکی به همراه یک پروتکل اصلی با بیومتریک استفاده می‌کنیم. بخش زیر الگوریتم Biohashing مورد استفاده در پروتکل پیشنهاد شده را توضیح می‌دهد. سپس بخش 6 جزئیات این پروتکل اصلی و جدید را بیان می‌کند.

5. الگوریتم Biohashing
الگوریتم BioHashing بردار مقدار واقعی با طول n را (به عنوان مثال FingerCode، حاصل از یک روش استخراج ویژگی) به یک بردار دوتایی به طول m≤n(به عنوان مثال BioCode)، همانطور که توسط Teoh و همکارانش بیان شده است تبدیل می‌کند [25].
این مسئله شامل طرح کردن FingerCode با یک پایه تعریف شده توسط یک seed تصادفی برای تولید BioCode است. تبدیل قالب از الگوریتم زیر استفاده می‌کند، که در آن ورودی‌ها تصادفی هستند و FingerCode F و خروجی BioCode B است:
1) برای m≤n i=1,…,m بردارهای شبه تصادفی vi با طول n تولید می‌شود (از seed تصادفی) و در یک ماتریس شبه تصادفی جمع می‌شوند.
2) الگوریتم Gram-Schmidt بر روی m بردار vi از ماتریس، برای تولید n بردار V_1,…,V_n اعمال می‌شود.
3) برای m، i=1,…,m ضرب اسکالر p_i=<F,V_i> با استفاده از FingerCode F و m محاسبه می‌شود.
4) در نهایت کد m بیتی (B0؛…؛ Bm)، با استفاده از فرآیند quantization زیر به دست می‌آید: هنگامی که برای احراز هویت BioCode مرجع استفاده می‌شود (محاسبه شده از FingerCode پس از ثبت‌نام و پس از نمایش مخفی) با BioCode ثبت شده (محاسبه شده از FingerCode محاسبه شده پس از ثبت جدید) با فاصله همینگ مقایسه می‌شود. اگر این مقدار پایین‌تر از آستانه تعیین شده توسط مدیر سیستم باشد، هویت کاربر تایید شده است. به‌طورکلی، بخش اول الگوریتم، شامل ضرب اسکالر با بردارهای orthonormal است که بنا به الزامات عملکرد و آخرین مرحله از الگوریتم برای الزامات غیرقابل انعطاف از الگوریتم BioHashing استفاده می‌شود. همانطور که قبلا ذکر شد، seed تصادفی خواص تنوع و لغوپذیری را تضمین می‌کند.
پروتکل احراز هویت کاربر چندین بار الگوریتم BioHashing را که در بخش بعدی آن را شرح داده‌ایم به کار می‎برد.

6. پروتکل احراز هویت پیشنهادی
پروتکل احراز هویت پیشنهادی از داده‌های بیومتریک استفاده می‌کند که باید از طریق ثبت با دستگاه OffPAD و الگوریتم حفاظت از الگو محافظت شود. طرح‌های حفاظت از الگو بیومتریک یک گروه از فن‌آوری ها هستند، که شامل فن‌آوری‌های قابل ارتقاء حریم خصوصی هستند و برای ارتقاء حریم خصوصی و امنیت اطلاعات بیومتریک مورد استفاده می‌شوند. از این رو، هر روش حفاظت از قالب باید اجازه لغو داده‌های بیومتریک را بدهد و باید با دقت طراحی شده باشد و تجزیه و تحلیل امنیتی قوی داشته باشد. در میان راه‌حل‌های مختلف در کارهای پیشین، حفاظت از الگو می‌تواند با استفاده از رمزنگاری‌های بیومتریک [15]، [14]، [9]، [20] یا با تبدیل داده‌های ویژگی بیومتریک به دست آید [22]، [5]، [25]، [23]. همانطور که در بخش بعدی بیان شده، BioHashing یک طرح محبوب است که متعلق به رده دوم است و اجازه لغو یک قالب بیومتریک را می‌دهد.
پروتکل پیشنهادی با اثر انگشت دقیق است اما می‌تواند برای هر روش دیگر بیومتریکی (چهره،…) استفاده شود. هنگامی که از بیومتریک استفاده می‌کنیم، دو مرحله اصلی مورد نیاز است: ثبت‌نام و احراز هویت
1) ثبت‌نام: این مرحله برای جمع‌آوری قالب مرجع Alice استفاده می‌شود. در طرح پیشنهادی، قالب داده شده توسط یک BioCode با نام Reference Biocode از یک FingerCode (بردار ویژگی محاسبه شده از اثر انگشت) و یک رمز (رمز کاربر با شماره سریال دستگاه OffPAD همراه است) شناخته شده است. رمز کاربر می‌تواند یک رمز عبور یا یک مقدار تصادفی ذخیره شده در دستگاه OffPAD باشد (البته، توسط تایید بیومتریک دستگاه محافظت می‌شود). هنگامی که Reference BioCode محاسبه شده است، به بانک صادرکننده Alice از طریق یک کانال SSL فرستاده می‌شود. بنا به به یک دیدگاه سازمانی، این مرحله می‌تواند در یک شاخه پس از بررسی هویت فیزیکی توسط فرد انجام شود. شکل 4 پروسه ثبت‌نام را شرح می‌دهد. هیچ حریم خصوصی برای ذخیره Reference BioCode توسط بانک صادرکننده به‌عنوان این الگو قابل لغو و به‌عنوان فرآیند معکوس BioHashing وجود ندارد.
2) احراز هویت: در طول پرداخت الکترونیکی، بانک صادرکننده باید Alice را تأیید کند (به‌عنوان مثال روند 3D-Secure). یک چالش به Alice فرستاده می‌شود (شماره نمایش داده شده در کامپیوتر یا شماره‌ای که به طور مستقیم به OffPAD فرستاده می‌شود). Alice مجبور است اثر انگشت و رمز عبور خود را (که توسط بانک صادرکننده شناخته شده نیست) ارائه کند. BioCode ثبت شده FingerCode را در داده‌های بیومتریک، رمز عبور و شماره سریال OffPAD محاسبه می‌کند. چالش ثبت Biocode با استفاده از الگوریتم BioHashing در Capture BioCode با چالش ارسال شده توسط بانک صادرکننده به عنوان رمز محاسبه می‌شود. بانک صادرکننده نیز با استفاده از BioHashing، Biocode مرجع را با به چالش کشیدن الگوریتم در BioCode مرجع محاسبه می‌کند. فاصله همینگ برای مقایسه دو چالش BioCodes استفاده می‌شود و اگر فاصله کمتر از آستانه از پیش تعریف شده باشد، Alice تأیید شده است. شکل 5 جزئیات کل روند را توضیح می‌دهد.
3) بحث: چالش ارسال شده توسط بانک صادرکننده اجازه می‌دهد تا یک راه‌حل احراز هویت بیومتریک یک‌باره تعریف کنیم. در این راه‌حل فرض می‌کنیم که OffPAD یک دستگاه امن است. در این راه‌حل، بانک صادرکننده تصمیم‌گیری در مورد احراز هویت Alice را کنترل می‌کند.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

2. کارهای مرتبط
پروژه معماری اینترنت اشیاء اتحادیه اروپا در حال کار بر روی یک چارچوب کلی برای اینترنت اشیا از جمله امنیت آن است. به عنوان بخشی از پروژه، این کنسرسیوم مفهومی برای حفظ حریم خصوصی و امنیت برای خدمات اینترنت اشیا منتشر کرده است [1]. این مفهوم شامل استفاده از زبان نشانه گذاری کنترل دسترسی توسعه پذیر (XACML) [2] و زبان نشانه گذاری اعلان امنیت (SAML) [3] برای اینترنت اشیا است اما اقتباسات یا تغییرات این استانداردها را مورد بحث قرار نمیدهد که برای عملکرد موثر در محیط های محدود ضروری اند.
Naedele [4] یک پروتکل مبتنی بر کلید عمومی برای دسترسی و ارتباطات امن را با استفاده از یک موتور اعتبارسنجی بک اند و قابلیت های امضاشده پیشنهاد می کند. دستگاه پس از تایید اعتبار توانایی ها، یک جلسه محافظت شده با یک کاربر آغاز میکند که بعدا برای برقراری ارتباط استفاده می شود. با این حال، این پروتکل نیاز به چند تبادل پیام به منظور ایجاد یک جلسه امن داشته و فاقد گزینه شرایط محلی دستگاه است و با استانداردهای مربوطه سازگار نیست.
Resch و همکاران روشهای سبک وزن برای ایجاد امنیت زیرساخت های جغرافیایی با واحدای قدرت کم را در [5] مورد بررسی قرار دادند. این سناریو که بسیار شبیه به آنچه ما در نظرداریم است و نتایج آن نیز به سناریوی ما اعمال می شود. نویسندگان همچنین یک چارچوب امنیتی نوین را پیشنهاد میکنند. در مقابل چارچوب پیشنهادی ما، این چارچوب براساس یک تابع پروکسی امنیتی در شبکه ایجاد شده است. مساله امنیت پایان به پایان برای سرویس را از بین میبرد که یکی از نیازهای اساسی ما خواهد بود (بخش 3 را ببینید).
Zhang و همکاران [6] یک طرح کنترل دسترسی حریم خصوصی توزیع و حفاظت شده برای شبکه های حسگر توصیف میکنند. پروتکل آنها کاربران را به خرید توکن هایی از صاحب دستگاه به منظور دسترسی به داده ها از دستگاه وادار میکند. تمرکز اصلی این کار در حفظ حریم خصوصی کاربر به سمت دستگاه و جلوگیری از استفاده مجدد از توکن تکیه دارد. این پروتکل اجرای کنترل دسترسی finegrained را بر روی دستگاه ها، و همچنین شرایط محلی آزمایش نمیکند.
به طور خلاصه می توان گفت که مشکل اعتبارسنجی در اینترنت اشیاء بطور قطعی هنوز حل نشده است. روش های فعلی بر روی تعدادی از مشکلات بسیار خاص تمرکز کرده اند، در حالی که رویکرد ما طراحی یک چارچوب اعتبارسنجی عمومی بر اساس استانداردهای موجود و یا در حال ظهور است. نوآوری رویکرد ما این است که ما پروفایل ها و توافق هایی با این استانداردها برای بهینه سازی کاربرد دستگاه های محدود طراحی کرده ایم.

3. الزامات چارچوب اعتبارسنجی
همانطور که قبلا توضیح داده شد، ما یک محیط از دستگاه های محدود و نهادهای مختلف با دسترسی به این دستگاه ها را مورد هدف قرار داده ایم. برای این محیط مجموعه ای از نیازمندی های امنیتی و اجرایی یک چارچوب اعتبارسنجی عمومی را لیست میکنیم. Naedele [4] نیز موارد نیاز را بصورت مشابه لیست کرده است، بنابراین ما خودمان را محدود به شرایط اضافی حمایت از اعتبارسنجی ریز دانه و انعطاف پذیر نموده ایم:
• R1: این چارچوب باید از
الف: قوانین دسترسی متفاوت برای درخواستهای مختلف مشتریان،
ب : کنترل دسترسی در منابع RESTful گرانولی ،
ج: سیاستهای مبتنی بر شرایط محلی (به عنوان مثال، وضعیت ، زمان، موقعیت دستگاه) پشتیبانی کند.
• R2: تمام مکانیزم های امنیتی معرفی شده باید طوری طراحی شوند که سربار محاسباتی و به خصوص ارتباطی را تا جایی که ممکن است کم کنند.
• R3: چارچوب اعتبارسنجی باید از دسترسی ایمن به اطلاعات مرتبط با کنترل دسترسی پشتیبانی کند.
• R4: راه حل های کنترل دسترسی باید وابسته به حداقل یک تابع دیگر باشد.
• R5: این راه حل باید حفاظت پایان به پایان (یکپارچگی و محرمانه) بخش های مربوط به پیامهای پروتکل، و همچنین حفاظت پاسخ را فراهم کند.
توجه داشته باشید که به منظور قابل اجرا بودن، چارچوب اعتبارسنجی پیشنهادی نباید وابسته به یک مکانیزم احراز هویت خاص، مدیریت کلید یا پروتکل انتقال امن باشد. این مکانیزم های امنیتی نیز باید با شرایط مشابه مطابقت داشته باشند. این مساله خارج از حوزه این پژوهش است، اما در طراحی اثبات مفهوم ما نهفته است.

4. چارچوب اعتبارسنجی
به منظور تحقق الزامات موردنیاز برای کنترل دسترسی ریز دانه ما از استاندارد کنترل دسترسی XACML [2] استفاده میکنیم، چراکه این استاندارد برتر در این حوزه است، و در صنعت تا حدی استفاده می شود. با XACML می توانیم هر دو موارد نیاز R1.a و R1.b را پوشش دهیم.
ارزیابی سیاست های XACML برای دستگاه های محدود بسیار سنگین است، بنابراین ما اکثر فرایندهای تصمیم گیری اعتبارسنجی را اجرا کرده (R2)، و بطور کلی دستگاه اعتبار سنجی را انجام میدهد (R5).
به منظور مقابله با شرایط محلی موثر بر تصمیم گیری کنترل دسترسی (R1.c)، یا اطلاعات در مورد شرایط محلی باید به یک نقطه تصمیم گیری سیاست خارجی منتقل شوند و یا برخی از تصمیم گیری های کنترل دسترسی در داخل دستگاه محدود گرفته شوند. حالت دوم به چند دلیل ارجح است: انتقال اطلاعات در مورد شرایط محلی برای هر سیاست تصمیم گیری با مساله تاخیر روبروست و هزینه های انتقال را به دستگاه اعمال میکند، علاوه بر این، شرایط محلی ممکن است در زمان اجرا تغییر کند. همچنین می توانیم شرایط محلی را به عنوان وظایف XACML بیان کنیم، به عنوان مثال محدودیت های تحت یک تصمیم اعتبارسنجی خارجی معتبر هستند.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

طراحی P2P GRE بر روی IPsec هر سه ویژگی که در پاراگراف قبلی شرح داده شده است را امکان‌پذیر می‌کند، درحالی‌که طراحی DMVPN یا طراحی VTI تنها الزامات پروتکل مسیریابی IGP و IP multicast را اجرا می‌کنند.
سایر پروتکل‌های تونل‌زنی ممکن شامل موارد زیر هستند:
• لایه امنیت سوکت/ امنیت لایه انتقال (SSL / TLS)
• VPN (WebVPN)
• پروتکل تونل‌زنی نقطه به نقطه (PPTP)
• لایه دوم پروتکل تونل‌زنی (L2TP)
این پروتکل‌ها بر اساس اتصالات VPN کاربر یا سرویس‌گیرنده به دروازه هستند که معمولا با نام راه‌حل‌های دسترسی از راه دور شناخته می‌شوند و در این راه‌حل اجرا نمی‌شوند.

پروتکل‌های IPsec
بخش‌های زیر دو پروتکل IP مورد استفاده در استاندارد IPsec را شرح می‌دهند: ESP و AH.

بسته شدن پروتکل امنیتی
هدر ESP (IP پروتکل 50) هسته پروتکل IPsec را تشکیل می‌دهد. این پروتکل، در رابطه با یک مجموعه توافق شده از پارامترهای امنیتی یا مجموعه انتقال، داده‌ها را با شناسایی آنها محافظت می‌کند. این پروتکل تنها بخش داده‌های بسته را رمزگذاری می‌کند و از دیگر محافظت‌ها (HMAC) برای دیگر حفاظت‌ها (یکپارچگی اطلاعات، ضد پاسخ، man-in-the-middle) استفاده می‌کند. به صورت اختیاری می‌توان آن را برای احراز هویت داده‌های محافظت شده نیز ارائه کرد. شکل 4 نشان می‌دهد که چگونه ESP یک بسته IP را محصور می‌کند.

سرصفحه تایید (AH)
پروتکل AH (IP پروتکل 51) بخش دیگری از IPsec را تشکیل می‌دهد. AH اطلاعات را در فایل با پنهان کردن داده‌ها به‌صورت معمول رمزگذاری نمی‌کند، اما یک مهر و موم مشخص به داده‌ها اضافه می‌کند. همچنین از زمینه‌های غیر قابل تغییر در هدر IP حمل داده‌ها محافظت می‌کند، که شامل هدر IP است. پروتکل AH در صورتی که نیاز به محرمانه بودن اطلاعات باشد نباید به تنهایی مورد استفاده قرار گیرد. شکل 5 نشان می‌دهد که چگونه AH یک بسته IP را کپسوله می‌کند.

استفاده همزمان از ESP و AH
امکان استفاده همزمان از ESP و AH در انجمن امنیتی IPsec (SA) یکسان وجود دارد. ESP شامل احراز هویت یکسانی به عنوان AH است وهمچنین رمزگذاری و حفاظت از داده‌ها را فراهم می‌کند. فقط استفاده از ESP در معماری توصیف شده در این راهنما نشان داده شده است.

حالت‌های IPsec
IPsec دو حالت زیر را برای ارسال داده در یک شبکه دارد:
• حالت تونل
• حالت حمل و نقل
عملکرد هر کدام بنا به مقدار سربار اضافه شده به بسته متفاوت است. این حالت‌ها در دو بخش بعدی با جزئیات شرح داده می‌شود.

حالت تونل
حالت تونل با بسته‌بندی و حفاظت از کل بسته IP عمل می‌کند. از آنجا که حالت تونل هدر IP بسته را قبل از رمزگذاری پنهان می‌کند، هدر جدید IP اضافه می‌شود به طوری که بسته با موفقیت ارسال شود. دستگاه‌های رمزنگاری خودشان IP مورد استفاده در هدر جدید را مشخص می‌کنند. این آدرس‌ها را می‌توان در پیکربندی روترهای IOS سیسکو مشخص کرد. حالت تونل می‌تواند با هر یک یا هر دو پروتکل IPsec (ESP و AH) استفاده شود. حالت تونل در نتیجه گسترش بسته به دلیل هدر IP جدید حدود 20 بایت است. حالت تونل به طور گسترده‌ای امن‌تر و انعطاف‌پذیرتر از حالت حمل و نقل است. حالت تونل IPsec منبع و آدرس‌های IP مقصد در بسته اصلی را رمزگذاری می‌کند و اطلاعات را از شبکه محافظت نشده پنهان می‌کند. این مورد به جلوگیری از حملات مهندسی اجتماعی کمک می‌کند.
شکل 6 گسترش بسته‌های IP را نشان می‌دهد.

حالت حمل و نقل
حالت حمل و نقل IPsec با قرار دادن سرصفحه ESP یا AH بین هدر IP و پروتکل بعدی یا لایه انتقال بسته کار می‌کند. هر دو IP دو گره از شبکه را نشان می‌دهند که ترافیک آنها توسط IPsec در هدر IP بسته که پس از رمزگذاری قابل مشاهده است محافظت می‌شود. این حالت IPsec می‌تواند حساس به حملات تجزیه و تحلیل ترافیک باشد. بااین حال، چرا هیچ هدر IP اضافی اضافه نشده است، زیرا نتیجه این مورد انبساط بسته را کاهش می‌دهد. حالت حمل و نقل را می‌‎توان با یک یا هر دو ESP و AH اعمال کرد. حالت حمل و نقل را می‌توان با P2P GRE بر روی IPsec استفاده کرد، زیرا این طراحی آدرس انتهایی را با اضافه کردن سرصفحه IP خود پنهان می‌کند. اگر آدرس IP منبع یا آدرس IP مقصد آدرس سازگار RFC 1918 باشد، بسته نمی‌تواند در اینترنت عمومی منتقل شود، و این آدرس‌ها نمی‌توانند یک آدرس شبکه (NAT) یا پورت آدرس ترجمه (PAT) را بدون عدم اعتبار HMAC بسته رمزنگاری انتقال دهند.
شکل 7 گسترش بسته‌های IP را نشان می‌دهد.

تبادل کلید اینترنت
برای پیاده‌سازی یک راه حل VPN با رمزگذاری، تغییر دوره‌ای کلید رمزگذاری جلسه ضروری است. عدم تغییر این کلید باعث می‌شود که VPN به حملات رمزگشایی شدید دست یابد. IPsec مشکل را با پروتکل IKE حل می‌کند که از دو پروتکل دیگر برای احراز هویت یک peer و برای تولید کلیدها استفاده می‌کند. IKE از یک الگوریتم ریاضی به نام مبادله دیفی-هلمن برای تولید کلید‌های جلسه متقارن استفاده می‌کند که توسط دو نفر از همتایان رمزنگاری استفاده شده‌ است. همچنین IKE مذاکره را مانند پارامترهای امنیتی نظیر اطلاعات محافظت شده، قدرت کلیدها، روش‌های هش استفاده شده و این که آیا بسته‌ها از ضد پاسخ محافظت می‌شوند، مدیریت می‌کند. ISAKMP معمولا از پورت 500 پورت UDP به عنوان هر دو پورت منبع و مقصد استفاده می‌کند.
انجمن امنیتی
یک انجمن امنیتی (SA) یک توافق دو طرفه درگیر در مبادله رمزنگاری است. این توافق شامل نوع و قدرت الگوریتم رمزنگاری مورد استفاده برای حفاظت از داده‌ها است. SA شامل روش و قدرت احراز هویت داده‌ها و روش ایجاد کلیدهای جدید برای حفاظت از داده‌ها است. همتایان رمزنگاری در بخش زیر شرح داده شده اند.
هر SA دارای یک مقدار طول عمر است تا یک SA معتبر در نظر گرفته شده است. مقدار طول عمر با هر دو معیار زمان (ثانیه) و حجم (تعداد بایت) اندازه‌گیری می‌شود و در ایجاد SA مورد مذاکره است. این دو طول عمر مقایسه می‌شوند و توافق بر روی پایین‌ترین مقدار صورت می‌گیرد. تحت شرایط عادی، مقدار طول عمر از طریق زمان قبل از محدودیت حجم، منقضی می‌شود. بنابراین، اگر یک بسته جالب در 120 ثانيه آخر عمر مقدار يک SA فعال با SA منطبق باشد، فرآيند بازيابي رمزگشايي به طور معمول فراخوانده می‌شود تا فرآیند کلید رمزنگاری دیگری برای یک SA فعال قبل از حذف SA موجود ایجاد کند. این نتیجه، یک انتقال صاف با حداقل دستکاری بسته به SA جدید است.

انجمن امنیتی ISAKMP
ISAKMP SAیک کانال مذاکره امن دوطرفه است که توسط همتایان رمزنگاری برای ارتباطات پارامترهای مهم امنیتی با یکدیگر، مانند پارامترهای امنیتی IPsec(تونل داده) استفاده می‌شود.
در IOS سیسکو، سیاست ISAKMP SA طول عمر پیش فرض 86،400 ثانیه بدون محدودیت حجم دارد.

انجمن امنیت IPsec (تونل داده)
IPsec SA یک کانال ارتباطی یک طرفه بین یک peer با دیگری است. اطلاعات واقعی مشتری فقط یک IPsec SA است و هرگز بیش از ISAKMP SA نمی‌تواند باشد. هر طرف تونل IPsec یک جفت IPsec SA برای هر اتصال دارد یکی از راه دور، یکی برای راه دور. این جفت اطلاعات IPsec SA به صورت محلی در پایگاه داده SA ذخیره می‌شوند.
در IOS سیسکو، سیاست IPsec SA طول عمر پیش فرض 3600 ثانیه با 4،608،000 کیلوبایت محدودیت حجم دارد.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

طرح ما یک طرح مبتنی بر اعتبار و خارج از خط است. همچنین، سکه/ paywords (واحد ابتدایی پرداخت) فروشنده خاص و نه کاربر خاص هستند، بر خلافPayWord . برای حفظ کوین تنها فروشنده خاص و نه کاربر خاص به عنوان کوین قصد تغییر دست ها را دارد. یکی از نیازها برای تامین امنیت کوین نسبت به یک تهدید این است که می توان آنها را در حمل و نقل و در زمان واقعی به فروشنده ارائه کرد. ما از پروتکل TESLA اصلاح شده برای این هدف استفاده می کنیم. این نه تنها یک روش کارآمد برای احراز هویت منبع فراهم می کند بلکه امنیت مقرون به صرفه ای را تعیین می کند و از حملات فرد میانجی و انکار خدمات جلوگیری می کند. ما از) SPKI / SDSIکلارک و همکاران، 2001؛ الیسون، 2002) به عنوان یک چارچوب زیرساخت کلید عمومی رضایت بخشی نیازهای (به خصوص واگذاری مجوز) از طرفین در راه اندازی خود استفاده می کنیم. اجرای ما کارآمد ، امن و قادر به رسیدگی نمونه سناریوهای میکرو پرداخت بالا با سهولت توصیف مدیریت، توانایی و تعمیر و نگهداری است.
بقیه مقاله به شرح زیر است: در بخش بعدی، یک نمای کلی از پروتکل های را بطور جداگانه ارائه می دهیم به عنوان مثال، PayWord، TESLA، و SPKI / SDSI در بخش 3 و 4 پیشنهاد شده است، پسگیری می شود. بخش 7 تجزیه و تحلیل دقیق از پروتکل های ما از نظر جنبه امنیتی، عوامل خطر و عملکرد ارائه می دهند. این مقاله با یک بحث در بخش 8 به نتیجه گیری می رسد.

2. بررسی اجمالی
در این بخش، خلاصه ای از طرح ها مانند PayWord، TESLAو SPKI / SDSIرا ارائه می دهیم که طرح ما بر آنها استوار است.

2.1 PayWord
این یک طرح خارج از خط میکرو پرداخت مبتنی بر اعتبار است که از زنجیره payword مقادیر استفاده می کند (هش یک طرفه ارائه دهنده واحد های پولی اولیه). محور طرح در به حداقل رساندن تعداد کلید عمومی عملیات مورد نیاز در هر پرداخت و در نتیجه دستیابی به بهره وری استثنایی نهفته است ( ریوست و شامیر، 1996). این یک مکانیزم سه جانبه است که شامل یک کاربر U که باعث پرداخت می شود، یک فروشنده V که پرداخت را دریافت می کند و یک کارگزارB (واسطه مالی) که حساب را برای طرفین مرتبط نگه می دارد. کارگزار طرف قابل اعتماد است و تسهیلات اعتباری را برای معامله با فروشندگان به کاربران می دهد. پس از رسیدن به یک قرارداد اعتباری رسمی بینB و U،B به V وعده بازخرید paywordهای صرف شده توسط U در فواصل منظم از زمان را می دهد.
قبل از هر گونه پرداخت به فروشنده، کاربر یک زنجیره payword تولید می کند که کاربر خاص و فروشنده خاص هستند. کاربر زنجیره paywordدر جهت معکوس با چیدن آخرین payword wn به طور تصادفی تولید می کند و سپس هر payword wi = h(wi+1) را برای i = n − 1, n − 2, . . . , 0, محاسبه می کند که در آن hیک تابع هش قوی و w0 ریشه آن زنجیره payword نامیده می شوند (تعهد). این کاربر باید چنین زنجیره payword را با فروشنده قبل با استفاده از زنجیره ای به عنوان یک ابزار پرداخت ثبت کند. کاربر ارزش تعهد زنجیره payword را (W0) همراه با مجوز (گواهی( PayWord تصدیق می کند که کاربر برای تولید چنین ابزار پرداختی توانمند می سازد.
در تایید موفقیت آمیز طرف فروشنده، کاربر می تواند زنجیره payword را برای ثبت فعالیت خرید واحد عاقلانه استفاده کند. در حالی که پرداخت واحد عاقلانه با استفاده از paywordهای تولیدی است، پرداخت i م (برای i = 1, 2, . . . , n ) از u به v متشکل از جفت(wi , i ) است که V می تواند استفاده از Wi-1 را با کمک یک طرفه تابع هش، h بررسی کند. هر یک از این پرداخت ها به محاسبات توسط کاربر نیازی ندارند، و تنها یک عملیات رشته هش منفرد توسط فروشنده برای تأیید لازم است. فروشنده می توانید پرداخت را با محاسبه هش payword تایید کند و برای تعهد payword مربوطه ریشه برای مناقصه payword اول برابر است.
برای بازپرداخت paywordهای انباشته شده، فواصل منظم فروشنده با بانک های تسهیل کننده و آخرین گزارش متعامل است (بالاترین نمایه) پرداخت (wl , l) از هر کاربر ثبت نام شده پس از آخرین گزارش دریافت می شود، همراه با یک تعهد مربوطه. در تأیید این مسئله، بانک کاربر حساب L را شارژ می کند و سپرده آن را به حساب فروشنده واریز می کند. توجه داشته باشید که بنابراین برای بانک، نگهداری پایگاه داده های بزرگ غیر ضروری است.
رابطه بانک، کاربر، فروشنده: بگذاریدکلید عمومی بانک B، کاربران U و فروشنده V را با KB، KU، KV کنیم و کلید های خصوصی آنها را با − مشخص کنیم. تعامل بین سه طرف به شرح زیر است:
B ↔ U :کاربر U با جزئیات آدرس دریافتی به B نزدیک می شود(AU) و برخی از اطلاعات اضافی را (IU) برای بدست آوردن گواهی CU= PayWord دارد که در آن E تاریخ انقضاء گواهی است یعنی تاریخ تا آنجا که خدمات برای مشترک می توان در دسترس باشد.
:U ↔ V ، U زنجیره w1, . . . , wn ریشه w0 را محاسبه می کند و سپس تعهدی برای زنجیره payword ایجاد می کند که در آن D تاریخ جاری و IM برخی از اطلاعات اضافی مورد نظر هستند. از U به V از یک payword و شاخص آن تشکیل شده است.
:V ↔ B در فواصل زمانی منظم، فروشنده V paywordهای انباشته را با B بانک بازپرداخت می کند. در هر یک از این درخواست های بازپرداخت، V هر مشترک paywordرا با زنجیرهCU مربوطه دریافت شده از مشترک U تولید کرد (اگر در حال حاضر انجام نمی شود پس در بازپرداخت قبلی در خواست می شود) و پرداخت آخرین L) ، P = (WL از هر کاربر دریافت کرده است. در تایید تعهدات امضا دریافت،B کاری را محاسبه می کند، یعنی واحد L را از حساب U کسر و آن را به حساب V اعتبار می دهد. این توافق پرداخت خارج از سیستم PayWordقرار می گیرد.
PayWord برای توالی پرداخت خرد بهینه سازی شده است، اما امن و به اندازه کافی انعطاف پذیر به حمایت از پرداخت متغیر با ارزش بزرگتر مناسب است، بسته به اینکه بانک و فروشنده حاضر هستند چقدر طر کنند. این طرح زنجیره کاربر خاص، فروشنده خاص payword است و از این رو، تضا و و اختلاف هیچ نفعی در سرقت آن ندارد در حالی که تبادل شده یا دوبرابر هزینه می شود. در نتیجه، PayWord نمی تواند ناشناس ماندن به معاملات را فراهم کند. زمانی که کاربر به زنجیره payword های متعدد برای مثال استفاده از آن برای دسترسی به خدمات مشترک از طریق دستگاه های متعدد نیاز دارد (کامپیوتر،لپ تاپ، PDA، تلفن همراه، و غیره،) به طور جداگانه آن را درخواست و برای هر دستگاه ثبت نام کرده اند که باعث می شود سیستم ناکارآمد باشد زیرا تعامل اولیه با بانک هزینه را افزایش می دهد.

2.2 TESLA
TESLA (جریان کارآمد از دست دادن تحمل تأیید هویت بهنگام) یک پروتکل احراز هویت با ارتباطات کم و سربار محاسباتی منبع کارآمد است (پریج و همکاران، 2002، 2001). توابع رمزنگاری متقارن خالص ( – MACپیام تایید کد است (اشنایر، 1996) توابع) و رسیدن به خواص نامتقارن از طریق هماهنگی آزادانه و افشای کلیدی تاخیر. با استفاده از این اختلاف زمان بین فرستنده و گیرنده برای دستیابی به عدم تقارن استفاده می شود.
پروتکلTESLA در زیر خلاصه شده است: فرستنده پیام MAC را به هر خروجی محاسبه بسته با استفاده از یک کلید k محاسبه می کند که فقط برای فرستنده مشخص است. گیرنده در بافر مانند بسته پیش می رود و آنها را اعتبار می بخشد و به زودی به عنوان فرستنده k را در انتقال بعدی آن افشا می کند. در فواصل به طور منظم، تغییرات فرستنده کلید K برای محاسبات MAC استفاده می شود. این مقادیر k از تابع هش یک راه مقاوم در برابر برخورد در چنین راهی به دست آمده اند که ارزش بعدی می تواند در جهت معکوس تصدیق شده است. با توجه به چنین استفاده از مقادیر زنجیره هش یک راه برای محاسبه MAC بیش از بسته های خروجی، گیرنده می تواند از حملات انکار سرویس و پخش شده به سادگی به دنبال در بسته زمان مهر و موم آن را خنثی کند، کلید توسط فرستنده در آن زمان فاش می سازد، و می تواند از بسته مشکوک چشم پوشی کند (پریج و همکاران، 2002). پروتکل اصلی در زیر خلاصه شده است.
قبل از شروع انتقال واقعی، گیرنده و فرستنده آزادانه وقت خود همگام سازی می کنند. در حین این فرایند، گیرنده علاقه مند به محاسبه حداکثر زمان خطای همزمان سازی هستند. گیرنده زمان محلی آن TR را ثبت می کند و به عنوان یک هماهنگ سازی زمان درخواست به فرستنده عنوان می شود. فرستنده با یک پیام امضای دیجیتالی را پاسخ می دهد ، جایی که TS و K-1S به ترتیب زمان محلی فرستنده و کلید خصوصی هستند. تأیید صحت موفقیت آمیز فعلا توسط فرستنده، گیرنده محاسبه بالا در زمان کنونی فرستنده به عنوان TS ≤ TR محدود – TR + TS، بازمی گردد که در آن TR زمان کنونی گیرنده است. پس از این فرآیند، زمان واقعی خطای همزمان سازیδ ، است که تفاوت بین فرستنده و گیرنده محاسبه می شود.