本书系统探讨如何运用 CPN Tools 对安全协议进行形式化建模与分析。全书从CPNTools基本操作与 SML 语言基础开始，逐步深入探讨安全协议分析中的攻击者模型与形式化验证方法，重点讨论在工业物联网和基于 PUF 的 M2M 通信场景下认证密钥交换协议的设计与验证，并结合典型实例提供从建模到安全性分析的完整实践指导。

本书突出理论与工程实践的深度融合，强调 CPN Tools 在协议形式化验证中的实际应用，不仅系统论述安全协议分析的理论框架，更引入工业物联网、PUF 等前沿应用场景，注重培养读者运用形式化方法解决实际安全问题的能力，体现“学以致用”的理念。

本书适合作为高等院校计算机科学与技术、网络安全、物联网工程及相关专业高年级本科生及研究生的教材，也可供从事安全协议设计、分析与验证的研究人员与工程技术人员参考。

       工业物联网的蓬勃发展正在深刻改变传统工业控制系统的面貌，推动其从封闭隔离的环境向开放互联的架构转型。这一变革在提升工业生产效率和智能化水平的同时，也带来了前所未有的安全挑战。工业网络的开放特性极大地扩展了潜在攻击面，而攻击技术的持续演进使得网络安全防护面临着日益严峻的考验。在此背景下，安全协议作为保障通信安全的基础机制，其正确性与可靠性显得尤为重要。工业物联网环境具有其独特性：边缘侧设备资源严格受限，难以支持传统复杂安全协议；通信场景呈现高度异构性，对安全协议提出了差异化的需求。
       安全协议的设计缺陷往往具有隐蔽性，难以通过常规测试方法有效识别。形式化分析方法通过建立数学模型和逻辑推演，能够系统性地验证协议安全属性。在各类形式化方法中，基于模型检测的技术因具备自动化程度高的优势而得到广泛应用，目前已经发展出多种自动化验证工具。然而，现有工具存在明显的局限性：攻击者模型固定且缺乏扩展性，难以适应新型攻击手法的演变，且漏洞发现能力存在不足。这些局限促使本书进一步关注：如何在资源受限的工业物联网环境中实现安全性与轻量化兼具的认证及密钥交换协议设计，同时突破现有验证工具的技术局限？
       本书选取有色 Petri 网（coloured petri net，CPN）及其配套工具 CPN Tools 作为研究平台，主要基于其在并发系统建模方面的强大能力与良好的可扩展性。
       在形式化验证方法研究方面，首先以经典 TMN 协议为研究对象，构建了基于传统Dolev-Yao 攻击者模型的验证体系。通过状态空间计算与模型检测，完整复现并提取了该协议的所有攻击路径，验证了 CPN 方法的有效性。针对传统方法的不足，本书实现了两项重要创新：建立了扩展的 Dolev-Yao 攻击者模型，赋予攻击者额外的知识获取途径；提出了基于 Fail-stop 特性的增量式验证方法，通过问题域分解将各验证阶段的状态空间控制在有限范围内，以有效缓解状态空间爆炸问题。
       在协议设计实践方面，针对工业物联网两大典型应用场景，设计并实现了两种轻量级匿名认证及密钥交换协议，这些协议满足工业环境的安全要求。
       本书构建了从方法论创新到协议设计实践的完整体系，主要贡献体现在三个维度。在理论方法维度，建立了基于 Fail-stop 特性的增量式 CPN 验证框架；在协议设计维度，成功研制出面向不同工业物联网场景的轻量级匿名认证及密钥交换协议；在实践应用维度，通过将改进的 CPN 方法应用于从经典协议到自研协议的全面验证，证实了方法的有效性与先进性。
       为便于读者把握全书脉络，本书采用递进式结构组织：首先介绍 CPN Tools 与 SML 语言等基础知识，并梳理安全协议分析中的攻击者模型与形式化验证方法；随后以经典协议为例展示基于 CPN 的建模、状态空间分析与攻击路径提取流程；在此基础上，面向工业物联网典型场景提出并验证轻量级匿名认证及密钥交换协议方案，同时对协议性能进行评估，以探讨安全性与可用性的平衡；最后总结建模与验证的实践经验，归纳可复用的建模策略与优化技巧，并讨论方法的适用边界与未来改进方向。
       本书系统论证了将先进形式化验证方法融入安全协议设计全过程的可行性与必要性。研究成果为工业物联网安全协议研发提供了兼具理论深度与工程价值的完整解决方案，对构建安全可靠的工业物联网基础设施具有积极推动作用。本书适合作为高等院校计算机科学与技术、网络安全、物联网工程及相关专业高年级本科生及研究生的教材，也可供从事安全协议设计、分析与验证的研究人员与工程技术人员参考。
       本书系甘肃政法大学校级科研创新项目（项目编号：GZF2025XZD29）研究成果。本书的撰写与出版，得到了甘肃政法大学网络空间安全学院的大力支持，在此致以诚挚谢意。同时，对本书写作过程中参考与借鉴的各位专家学者的研究成果，表示衷心的感谢。
       由于著者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请各位专家和读者批评指正。


       著  者
       2025年11月

第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 工业物联网安全  1
1.1.2 工业物联网认证及密钥交换协议  3
1.1.3 安全协议形式化分析与验证  6
1.2 CPN Tools 简介 8
1.2.1 从 Petri 网到有色 Petri 网  8
1.2.2 CPN Tools  10
1.2.3 在工业安全协议分析中的独特价值  11
1.2.4 局限性与应对策略  12
1.3 安全协议概述与形式化分析 13
1.3.1 工业物联网 AKE 协议  13
1.3.2 安全协议形式化分析方法与工具  17
1.3.3 基于 CPN 的安全协议形式化分析  20
1.4 关键科学问题与技术挑战 23
1.5 研究内容与结构安排 24
1.5.1 研究内容概述  24
1.5.2 结构安排说明  25

第 2 章 CPN Tools 基础 26
2.1 CPN 的基本概念 26
2.1.1 CPN 的起源、发展与形式化定位  26
2.1.2 CPN 的核心元素与代数基础  28
2.1.3 CPN 的动态语义  30
2.2 CPN Tools 界面及功能 31
2.2.1 CPN Tools 的体系结构与核心组件  31
2.2.2 模型仿真  33
2.2.3 状态空间分析  39
2.3 CPN 建模基础 40
2.3.1 CPN ML  40
2.3.2 层次化建模机制  41
2.3.3 高级同步与时间分析  43
2.4 CPN 分析技术 44
2.4.1 基于结构的分析方法  44
2.4.2 状态空间分析  45
2.4.3 高级分析与优化技术  47
2.4.4 定时 CPN 的性能分析  48
小结 50

第3章 SML 语言基础 51
3.1 SML 语言简介 51
3.1.1 SML 的起源与发展  51
3.1.2 SML 的主要语言特征  52
3.1.3 SML 的应用与发展前景  53
3.2 SML 基本语法 55
3.2.1 SML 的基本表达式与函数定义  55
3.2.2 SML 的数据结构与类型机制  57
3.2.3 SML 的控制结构与高级特性  57
3.2.4 SML 的编程风格与语法特点  59
3.3 常用 SML 函数和库 59
3.3.1 列表处理函数  60
3.3.2 字符串、数学运算与输入输出函数  62
3.3.3 常用数据处理与算法函数  64
3.3.4 专用工具函数与综合应用  67
3.4 SML 在 CPN Tools 中的应用 71
3.4.1 SML 在 CPN Tools 中的基础作用  72
3.4.2 SML 在模型执行与分析中的应用  73
3.4.3 SML 在状态空间与模块化建模中的应用  74
3.4.4 SML 在仿真控制与模型调试中的应用  75
小结 77

第4章 安全协议分析方法 79
4.1 安全协议设计原则 79
4.2 攻击者模型 82
4.2.1 安全协议的缺陷  82
4.2.2 安全协议的攻击手段  83
4.2.3 Dolev-Yao 攻击者模型  84
4.3 形式化验证方法概述 85
4.4 基于 CPN 的安全协议分析方法88
4.4.1 基于 CPN 的协议建模过程  88
4.4.2 攻击者建模与安全属性验证  89
4.4.3 基于 CPN 的协议缺陷分析与方法总结  90
小结 90

第5章 CPN Tools 在安全协议分析中的应用 92
5.1 安全协议 CPN 建模方法 92
5.1.1 协议抽象与颜色集定义  93
5.1.2 协议参与方与层次化模型构建  93
5.1.3 攻击者建模与模型完善  93
5.2 状态空间分析 94
5.2.1 状态空间的生成与基本结构  94
5.2.2 状态空间特性与安全属性验证  94
5.2.3 状态空间分析的挑战与结果解读  95
5.3 攻击路径生成与分析 96
5.3.1 攻击路径的生成与基本作用  96
5.3.2 攻击路径的分析维度与典型模式  96
5.3.3 攻击路径分析的应用价值与发展方向  97
5.4 案例研究：TMN 协议分析 98
5.4.1 基于 CPN 的安全协议形式化验证方法改进  99
5.4.2 验证方法说明  100
5.4.3 安全协议的验证步骤  103
5.4.4 安全协议的安全性验证方法  103
5.5 使用 SML 增强 CPN 模型功能 117
小结 119

第6章 工业物联网 AKE 协议设计与分析 .121
6.1 工业物联网安全需求 122
6.1.1 设备层与网络层的安全需求  122
6.1.2 应用层与管理层及跨层安全需求  123
6.2 AKE 安全协议124
6.2.1 身份认证  124
6.2.2 AKE 协议设计基本原则  125
6.2.3 密码学基础知识  127
6.3 基于 CoAP 的轻量级匿名 AKE 协议设计 129
6.3.1 基于 CoAP 的安全解决方案研究  130
6.3.2 基于工业物联网 CoAP 的匿名 AKE 协议  132
6.4 CPN Tools 辅助协议设计 135
6.4.1 协议初步分析与建模准备  135
6.4.2 CoAP-AKE 协议 CPN 建模  137
6.4.3 攻击者的 CPN 形式化描述  142
6.4.4 基于攻击者的 CPN 形式化验证  146
6.4.5 CPN Tools 对安全协议仿真的研究  147
6.5 安全性分析与性能评估 149
6.5.1 协议安全性分析  149
6.5.2 协议性能分析及比较  151
6.6 使用 SML 实现复杂协议逻辑 154
6.6.1 协议核心逻辑的 SML 实现  154
6.6.2 匿名认证机制的具体实现  155
6.6.3 攻击防护逻辑的实现  155
6.6.4 协议性能优化策略  156
6.6.5 形式化验证支持  156
6.6.6 实现的技术创新点及工业应用实践  156
小结 157

第7章 PUF 基础的 M2M 通信 AKE 协议 159
7.1 PUF 技术简介 160
7.2 PEASE 协议设计 161
7.2.1 设备注册  164
7.2.2 设备初始化  164
7.2.3 身份认证和密钥交换  165
7.2.4 设备注销  167
7.2.5 其他说明  167
7.3 CPN 建模与形式化验证 167
7.3.1 协议初步分析与建模准备  168
7.3.2 PEASE 协议 CPN 建模  169
7.3.3 攻击者的 CPN 形式化描述  172
7.3.4 基于攻击者的 CPN 形式化验证  174
7.4 安全性分析与性能评估 175
7.4.1 协议安全性分析  175
7.4.2 协议附加特性  177
7.4.3 协议性能分析及比较  178
7.5 PEASE 协议与相关工业物联网 AKE 方案的比较 .180
7.5.1 同类方案概述与选择依据  181
7.5.2 多维度综合对比分析  182
7.5.3 综合讨论与范式转变  184
小结 185

第8章 CPN Tools 在安全协议分析中的实践指南 186
8.1 建模实践 186
8.1.1 分层建模与敌手模型集成  187
8.1.2 模型正确性验证与状态空间控制  188
8.1.3 模块化重用与形式化语义转换  189
8.2 常见问题及解决方案 190
8.2.1 状态空间爆炸问题  190
8.2.2 类型系统错误与数据操作复杂性  191
8.2.3 SML 函数中的模式匹配不完整  192
8.2.4 复杂数据操作导致的模型可读性下降  192
8.2.5 模型行为异常与预期不符  192
8.2.6 协议逻辑缺陷与建模误差的区分  193
8.2.7 性能瓶颈与优化  193
8.3 性能优化技巧 194
8.3.1 状态空间控制的高级策略  194
8.3.2 模型结构与数据表示的优化  195
8.3.3 符号状态空间与近似分析技术  196
8.3.4 计算资源管理与分布式分析  197
8.3.5 性能分析与调优流程  197
8.4 结果解释与报告 198
8.4.1 状态空间分析报告的深度解读  198
8.4.2 安全属性的形式化规约与验证  199
8.4.3 反例轨迹的分析方法  200
8.4.4 统计分析与时序性能评估  200
8.4.5 结果确认与验证  201
8.4.6 分析报告撰写与结果呈现  201
8.5 高级 SML 技巧在 CPN 模型中的应用 201
8.5.1 高阶函数与协议逻辑抽象  202
8.5.2 模块系统与协议组件封装  203
8.5.3 异常处理与协议错误恢复  205
8.5.4 元编程与协议状态机生成  207
8.5.5 定理证明集成与形式化验证  209
小结 211

第9章 结论与展望 .213
9.1 研究成果总结 214
9.1.1 工业物联网安全协议分析与设计成果  214
9.1.2 攻击者模型扩展与安全评估成果  215
9.2 方法论创新与突破 215
9.2.1 状态空间控制与攻击路径分析创新  216
9.2.2 设计验证闭环与标准化推进  216
9.3 CPN Tools 在安全协议分析中的优势与局限性 217
9.3.1 核心优势分析  217
9.3.2 内在局限性探讨  219
9.3.3 辩证认识与适用场景  220
9.4 未来研究方向 221
9.4.1 支持密码算法的 CPN 安全协议形式化验证技术  221
9.4.2 CPN 软件与其他工具集成的安全协议仿真实验  222
9.4.3 协议自动化安全验证框架的开发  223
9.4.4 新兴应用场景中的协议安全分析  225
参考文献  227

龚翔，博士，副教授，甘肃政法大学。长期深耕工业互联网、安全协议与形式化分析领域，兼具扎实的学术功底、丰富的教学经验与突出的科研实践能力。主讲“网络安全”“安全协议分析与设计”等研究生层次核心课程，依托自身科研积累，将前沿技术与教学实践深度融合，为学生搭建理论与应用衔接的学习桥梁，助力培养专业领域复合型人才。科研方面，先后在国内外学术期刊发表多篇高水平论文，涵盖 CPN-based 安全协议建模分析、物联网轻量级匿名认证、工业物联网PUF高效认证协议、MQTT-SN 安全增强方案等关键方向，部分研究成果为工业物联网、车联网等场景的通信安全提供了重要技术参考。

（1）基于CPN Tools构建可扩展验证平台，突破传统工具攻击者模型固定局限。

（2）创新提出基于Fail-stop的增量验证框架，有效解决状态爆炸问题，提升协议验证效率。

（3）基于提出的CPN安全协议验证框架辅助设计了工业物联网轻量级安全协议，案例教学如何将CPN用于协议设计实践，并使其在特定场景下达到安全性及效率方面的平衡。