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CPN Tools與工業安全協議

  • 作者：龔翔|責編:閆釔汛//李學敏
  • 出版社：中國鐵道
  • ISBN：9787113333362
  • 出版日期：2026/06/01
  • 裝幀：平裝
  • 頁數：230
人民幣：RMB 79.8 元      售價：元
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內容大鋼
    本書系統探討如何運用CPN Tools對安全協議進行形式化建模與分析。全書從CPN Tools基本操作與SML語言基礎開始，逐步深入探討安全協議分析中的攻擊者模型與形式化驗證方法，重點討論在工業物聯網和基於PUF的M2M通信場景下認證密鑰交換協議的設計與驗證，並結合典型實例提供從建模到安全性分析的完整實踐指導。
    本書突出理論與工程實踐的深度融合，強調CPN Tools在協議形式化驗證中的實際應用，不僅系統論述安全協議分析的理論框架，更引入工業物聯網、PUF等前沿應用場景，注重培養讀者運用形式化方法解決實際安全問題的能力，體現「學以致用」的理念。
    本書適合作為高等院校電腦科學與技術、網路安全、物聯網工程及相關專業高年級本科生及研究生的教材，也可供從事安全協議設計、分析與驗證的研究人員與工程技術人員參考。
作者介紹
龔翔|責編:閆釔汛//李學敏
目錄
第1章  緒論
  1.1  研究背景及意義
    1.1.1  工業物聯網安全
    1.1.2  工業物聯網認證及密鑰交換協議
    1.1.3  安全協議形式化分析與驗證
  1.2  CPN Tools簡介
    1.2.1  從Petri網到有色Petri網
    1.2.2  CPN Tools
    1.2.3  在工業安全協議分析中的獨特價值
    1.2.4  局限性與應對策略
  1.3  安全協議概述與形式化分析
    1.3.1  工業物聯網AKE協議
    1.3.2  安全協議形式化分析方法與工具
    1.3.3  基於CPN的安全協議形式化分析
  1.4  關鍵科學問題與技術挑戰
  1.5  研究內容與結構安排
    1.5.1  研究內容概述
    1.5.2  結構安排說明
第2章  CPN Tools基礎
  2.1  CPN的基本概念
    2.1.1  CPN的起源、發展與形式化定位
    2.1.2  CPN的核心元素與代數基礎
    2.1.3  CPN的動態語義
  2.2  CPN Tools界面及功能
    2.2.1  CPN Tools的體系結構與核心組件
    2.2.2  模型模擬
    2.2.3  狀態空間分析
  2.3  CPN建模基礎
    2.3.1  CPN ML
    2.3.2  層次化建模機制
    2.3.3  高級同步與時間分析
  2.4  CPN分析技術
    2.4.1  基於結構的分析方法
    2.4.2  狀態空間分析
    2.4.3  高級分析與優化技術
    2.4.4  定時CPN的性能分析
  小結
第3章  SML語言基礎
  3.1  SML語言簡介
    3.1.1  SML的起源與發展
    3.1.2  SML的主要語言特徵
    3.1.3  SML的應用與發展前景
  3.2  SML基本語法
    3.2.1  SML的基本表達式與函數定義
    3.2.2  SML的數據結構與類型機制
    3.2.3  SML的控制結構與高級特性
    3.2.4  SML的編程風格與語法特點
  3.3  常用SML函數和庫
    3.3.1  列表處理函數
    3.3.2  字元串、數學運算與輸入輸出函數

    3.3.3  常用數據處理與演算法函數
    3.3.4  專用工具函數與綜合應用
  3.4  SML在CPN Tools中的應用
    3.4.1  SML在CPN Tools中的基礎作用
    3.4.2  SML在模型執行與分析中的應用
    3.4.3  SML在狀態空間與模塊化建模中的應用
    3.4.4  SML在模擬控制與模型調試中的應用
  小結
第4章  安全協議分析方法
  4.1  安全協議設計原則
  4.2  攻擊者模型
    4.2.1  安全協議的缺陷
    4.2.2  安全協議的攻擊手段
    4.2.3  Dolev-Yao攻擊者模型
  4.3  形式化驗證方法概述
  4.4  基於CPN的安全協議分析方法
    4.4.1  基於CPN的協議建模過程
    4.4.2  攻擊者建模與安全屬性驗證
    4.4.3  基於CPN的協議缺陷分析與方法總結
  小結
第5章  CPN Tools在安全協議分析中的應用
  5.1  安全協議CPN建模方法
    5.1.1  協議抽象與顏色集定義
    5.1.2  協議參與方與層次化模型構建
    5.1.3  攻擊者建模與模型完善
  5.2  狀態空間分析
    5.2.1  狀態空間的生成與基本結構
    5.2.2  狀態空間特性與安全屬性驗證
    5.2.3  狀態空間分析的挑戰與結果解讀
  5.3  攻擊路徑生成與分析
    5.3.1  攻擊路徑的生成與基本作用
    5.3.2  攻擊路徑的分析維度與典型模式
    5.3.3  攻擊路徑分析的應用價值與發展方向
  5.4  案例研究：TMN協議分析
    5.4.1  基於CPN的安全協議形式化驗證方法改進
    5.4.2  驗證方法說明
    5.4.3  安全協議的驗證步驟
    5.4.4  安全協議的安全性驗證方法
  5.5  使用SML增強CPN模型功能
  小結
第6章  工業物聯網AKE協議設計與分析
  6.1  工業物聯網安全需求
    6.1.1  設備層與網路層的安全需求
    6.1.2  應用層與管理層及跨層安全需求
  6.2  AKE安全協議
    6.2.1  身份認證
    6.2.2  AKE協議設計基本原則
    6.2.3  密碼學基礎知識
  6.3  基於CoAP的輕量級匿名AKE協議設計
    6.3.1  基於CoAP的安全解決方案研究

    6.3.2  基於工業物聯網CoAP的匿名AKE協議
  6.4  CPN Tools輔助協議設計
    6.4.1  協議初步分析與建模準備
    6.4.2  CoAP-AKE協議CPN建模
    6.4.3  攻擊者的CPN形式化描述
    6.4.4  基於攻擊者的CPN形式化驗證
    6.4.5  CPN Tools對安全協議模擬的研究
  6.5  安全性分析與性能評估
    6.5.1  協議安全性分析
    6.5.2  協議性能分析及比較
  6.6  使用SML實現複雜協議邏輯
    6.6.1  協議核心邏輯的SML實現
    6.6.2  匿名認證機制的具體實現
    6.6.3  攻擊防護邏輯的實現
    6.6.4  協議性能優化策略
    6.6.5  形式化驗證支持
    6.6.6  實現的技術創新點及工業應用實踐
  小結
第7章  PUF基礎的M2M通信AKE協議
  7.1  PUF技術簡介
  7.2  PEASE協議設計
    7.2.1  設備註冊
    7.2.2  設備初始化
    7.2.3  身份認證和密鑰交換
    7.2.4  設備註銷
    7.2.5  其他說明
  7.3  CPN建模與形式化驗證
    7.3.1  協議初步分析與建模準備
    7.3.2  PEASE協議CPN建模
    7.3.3  攻擊者的CPN形式化描述
    7.3.4  基於攻擊者的CPN形式化驗證
  7.4  安全性分析與性能評估
    7.4.1  協議安全性分析
    7.4.2  協議附加特性
    7.4.3  協議性能分析及比較
  7.5  PEASE協議與相關工業物聯網AKE方案的比較
    7.5.1  同類方案概述與選擇依據
    7.5.2  多維度綜合對比分析
    7.5.3  綜合討論與範式轉變
  小結
第8章  CPN Tools在安全協議分析中的實踐指南
  8.1  建模實踐
    8.1.1  分層建模與敵手模型集成
    8.1.2  模型正確性驗證與狀態空間控制
    8.1.3  模塊化重用與形式化語義轉換
  8.2  常見問題及解決方案
    8.2.1  狀態空間爆炸問題
    8.2.2  類型系統錯誤與數據操作複雜性
    8.2.3  SML函數中的模式匹配不完整
    8.2.4  複雜數據操作導致的模型可讀性下降

    8.2.5  模型行為異常與預期不符
    8.2.6  協議邏輯缺陷與建模誤差的區分
    8.2.7  性能瓶頸與優化
  8.3  性能優化技巧
    8.3.1  狀態空間控制的高級策略
    8.3.2  模型結構與數據表示的優化
    8.3.3  符號狀態空間與近似分析技術
    8.3.4  計算資源管理與分散式分析
    8.3.5  性能分析與調優流程
  8.4  結果解釋與報告
    8.4.1  狀態空間分析報告的深度解讀
    8.4.2  安全屬性的形式化規約與驗證
    8.4.3  反例軌跡的分析方法
    8.4.4  統計分析與時序性能評估
    8.4.5  結果確認與驗證
    8.4.6  分析報告撰寫與結果呈現
  8.5  高級SML技巧在CPN模型中的應用
    8.5.1  高階函數與協議邏輯抽象
    8.5.2  模塊系統與協議組件封裝
    8.5.3  異常處理與協議錯誤恢復
    8.5.4  元編程與協議狀態機生成
    8.5.5  定理證明集成與形式化驗證
  小結
第9章  結論與展望
  9.1  研究成果總結
    9.1.1  工業物聯網安全協議分析與設計成果
    9.1.2  攻擊者模型擴展與安全評估成果
  9.2  方法論創新與突破
    9.2.1  狀態空間控制與攻擊路徑分析創新
    9.2.2  設計驗證閉環與標準化推進
  9.3  CPN Tools在安全協議分析中的優勢與局限性
    9.3.1  核心優勢分析
    9.3.2  內在局限性探討
    9.3.3  辯證認識與適用場景
  9.4  未來研究方向
    9.4.1  支持密碼演算法的CPN安全協議形式化驗證技術
    9.4.2  CPN軟體與其他工具集成的安全協議模擬實驗
    9.4.3  協議自動化安全驗證框架的開發
    9.4.4  新興應用場景中的協議安全分析
參考文獻

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