基于PUF和Chebyshev混沌映射的6G云环境匿名认证方案研究

《Frontiers in Physics》：Efficient and secure authentication scheme with user anonymity based on cloud computing in 6G

本文提出了一种结合物理不可克隆函数（PUF）和Chebyshev混沌映射的6G云环境匿名认证方案。该方案通过多因素认证机制（用户身份、密码、生物特征）实现安全身份验证，利用PUF生成设备唯一标识符确保硬件安全性，采用Chebyshev多项式计算实现高效密钥协商。方案在随机预言机模型（ROM）下证明安全性，可抵抗重放攻击、中间人攻击等多种威胁，同时显著降低计算和通信开销，为6G高并发云系统提供轻量级安全解决方案。

　　

6G云环境安全挑战与认证需求

随着第六代移动通信技术（6G）的快速发展，云环境面临着前所未有的安全挑战。6G网络的高速率、低延迟和大连接特性使得传统认证机制难以满足安全需求，亟需新型认证方案来保障用户隐私和通信安全。

基于PUF和Chebyshev的认证方案设计

该方案创新性地结合物理不可克隆函数（PUF）和Chebyshev混沌映射技术，构建了三方认证架构，包括用户_i、云服务器_j和接入设备_j。方案采用多因素认证机制，整合用户身份（ID_i）、密码（PW_i）和生物特征（B_i），通过PUF生成设备唯一标识符，确保硬件的不可克隆性。

在注册阶段，用户选择身份和密码，生成随机数_i，计算注册信息并发送至云服务器。云服务器验证身份唯一性后，生成匿名身份PID_i，存储相关参数至智能卡（SC）。用户收到智能卡后输入生物特征，计算并存储必要参数。

认证与密钥协商阶段包含六个核心步骤：

1. 1.
   用户通过智能卡输入认证信息，计算验证参数
2. 2.
   云服务器验证时间戳和消息完整性
3. 3.
   接入设备完成双向认证
4. 4.
   三方通过Chebyshev多项式计算实现密钥协商
5. 5.
   生成会话密钥SK_ji = h(Q_j, h(D_j, P_j), v_i, h_i)
6. 6.
   建立安全通信信道

安全性分析与证明

方案在随机预言机模型（ROM）下进行形式化安全证明，定义了五个安全游戏（GM₀-GM₄），通过模拟不同攻击场景验证方案安全性。分析表明，该方案能有效抵抗以下攻击：

• •
  用户匿名性：采用匿名身份PID_i = E_k(ID_i‖T₀)，保护用户真实身份
• •
  重放攻击防御：使用时间戳和随机数确保消息新鲜度
• •
  用户冒充攻击：需同时获取密码、生物特征和智能卡数据
• •
  完美前向安全性：基于Chebyshev混沌映射的计算困难性问题（CMDLP）
• •
  中间人攻击防护：认证消息包含多重哈希验证

性能评估与比较

在计算开销方面，方案总成本为6T_cm+25T_h，其中T_cm≈0.3118ms（Chebyshev映射计算），T_h≈0.00038ms（哈希计算）。总执行时间1.88030ms，显著优于对比方案。

通信开销仅为2144比特，较现有方案降低20%-35%。任务分配均衡：用户端承担3T_cm+8T_h，云服务器处理3T_cm+10T_h，接入设备仅需7T_h，避免性能瓶颈。

方案优势与创新点

1. 1.
   多因素融合认证：结合物理硬件特征（PUF）、用户知识和生物特征，提供三重保护
2. 2.
   轻量级设计：优化计算和通信开销，适合资源受限的6G边缘设备
3. 3.
   可证明安全：在ROM模型下形式化证明安全性
4. 4.
   隐私保护：通过匿名身份和密钥协商机制保护用户隐私
5. 5.
   前向安全性：基于CMDLP难题，确保长期安全性

应用前景与局限性

该方案适用于6G云环境中的多种应用场景，包括智能医疗、工业物联网和智慧城市等。然而，仍存在一些局限性需要进一步研究：

• •
  大规模部署时的可扩展性
• •
  不同厂商PUF设备的互操作性
• •
  混沌参数对系统稳定性的影响

未来工作将着重于优化算法效率、增强方案实用性，并探索在更多6G应用场景中的适应性。