技术摘要：基于 PEKeccak 和 GSBDOSTLRU 的面向智能城市安全物联网的链上锚定信息安全技术

1. 问题陈述与研究空白

本文针对智能城市（SC）中物联网（IoT）基础设施的关键信息安全挑战进行了研究。虽然物联网设备支撑着交通管理和公共卫生等应用，但其大规模部署引入了会损害关键决策的漏洞。作者识别了现有研究中的特定局限性：

• 网关级日志篡改： 一个主要的研究空白是缺乏解决在网关层面进行传感器日志篡改、删除或伪造问题的方案，这会导致智能城市物联网环境中的安全性丧失。
• 量子脆弱性： 传统系统通常依赖于易受量子对手解密的长期密钥。
• 身份验证缺陷： 现有的智能城市模型通常缺乏多层身份验证，导致伪造的传感器数值被注入。
• 入侵检测局限性： 现有的方法无法在动态环境中针对新威胁进行泛化，导致入侵检测不准确，且现有的物联网节点往往难以承担沉重的密码学学习负载。

2. 提议的方法论

作者提出了一个综合框架，集成了用于链上锚定的 置换熵-Keccak (PEKeccak) 以及用于入侵检测的 门控秘书鸟达森优化苏伊什转导循环单元 (GSBDOSTLRU)。该系统跨越四个层级运行：

2.1 系统初始化与签名创建

框架初始化传感器 ($K$)、边缘节点 ($P$)、网关 ($D$) 和区块链 ($M$)。

• PRDSA： 采用 多项式滚动数字签名算法 (PRDSA) 来生成用于身份验证的签名。与标准 DSA 不同，PRDSA 利用具有大素数模数的多项式滚动 (PR) 函数来创建哈希函数输入 ($\delta$)，从而防止哈希被破解。
• 签名存储： 生成的签名 ($\mathfrak{A}$) 存储在区块链上，用于后续的身份验证。

2.2 感知层（数据感知与安全）

• FFPQC： 原始数据 ($H$) 通过基于 Feistel 函数的后量子密码学 (FFPQC) 进行感知并实现安全化。
• 密钥生成： 为了减轻与随机密钥相关的风险，使用 Feistel 函数 (FF) 通过通过重复的替换和置换改变量子态来创建密钥 ($\epsilon$)，在文中被称为“量子密钥”。
• 加密： 数据使用生成的密钥和光子偏振因子进行加密，以防止窃听。

2.3 边缘层（身份验证、IDS 与存储）

• 设备身份验证： 边缘节点使用存储在区块链上的 PRDSA 签名对传感器设备进行身份验证。
• 入侵检测系统 (IDS)：
  • 数据预处理： 网络数据经过插值（邻居均值）、归一化（最小-最大值）以及使用 SMOTE（合成少数类过采样技术）进行平衡。
  • GSBDOSTLRU 模型： 核心 IDS 使用增强型 门控循环单元 (GRU)，该单元包含：
    • 秘书鸟优化 (SBO)： 通过狩猎（探索）和逃逸（开发）策略来调整超参数。
    • 达森函数 (DF)： 集成到 SBO 中，以避免局部最小值并实现准振荡行为。
    • 苏伊什激活 (Suish Activation)： 取代标准激活函数，以确保强大的梯度流。
    • 迁移学习 (TL)： 用于学习新的攻击模式并提高泛化能力。
  • 输出： 系统将流量分类为正常或攻击（如 DDoS、XSS、勒索软件）。如果检测到攻击，则阻断传输。
• 分片密钥存储：
  • STISS： 密钥使用 三角积分秘密共享 (STISS) 进行拆分。STISS 通过集成三角积分 ($\lambda$) 来增强 Shamir 秘密共享 (SSS)，利用伪随机变换掩码来整合份额的新鲜度。
  • 链下存储： 拆分后的密钥和加密数据存储在 星际文件系统 (IPFS) 中，生成内容标识符 (CID)。

2.4 网关层（链上锚定）

• 边缘身份验证： 网关通过 PRDSA 验证边缘节点的身份。
• PEKeccak 锚定：
  • 置换熵 (PE)： 用于估计 Keccak 哈希函数的内部状态，从而减少内存需求。
  • 轻量级掩码： 基于 PE 状态生成掩码 ($Z$)，对输入的 CID 进行转换。
  • 哈希： Keccak 喷泉函数生成哈希 ($V$)，并将其锚定到区块链的 Merkle 根。
  • 性能说明： 提议的 PEKeccak 方法实现的锚定延迟为 1253 ms，显著低于实验结果中报告的标准 Keccak 模型延迟 3821 ms，证实了作者所声称的效率提升。

2.5 区块链与应用层

• 区块链： 网关经过身份验证后，哈希 ($V$) 被不可篡改地存储在区块链的 Merkle 根中，确保了篡改证据性和可追溯性。
• 应用层： 用户请求数据访问。系统验证 Merkle 证明，使用 STISS 重构拆分密钥以检索原始密钥，并从 IPFS 中解密数据。

3. 核心贡献

本文声称了以下具体贡献：

1. 基于 PEKeccak 的锚定： 一种专门设计的轻量级链上锚定机制，旨在防止网关级的日志伪造，并展示了比标准 Keccak 更低的延迟。
2. FFPQC 与 STISS： 实现了基于 Feistel 函数的后量子密码学用于数据安全，以及基于三角积分的分片密钥存储，以增强机密性和量子鲁棒性。
3. PRDSA 多层身份验证： 利用多项式滚动数字签名算法在传感器、边缘、网关和区块链层之间进行身份验证。
4. GSBDOSTLRU 入侵检测： 一种新型分类器，结合了 GRU、秘书鸟优化、达森函数、苏伊什激活和迁移学习，用于检测入侵并适应新模式。

4. 结果与性能评估

所提框架使用 NF-TON-IOT-V2 数据集（通过 SMOTE 实现平衡）进行评估，并在 Python 中实现。

• 链上锚定 (PEKeccak)：
  • 完整性验证成功率 (IVSR)： 98.91%（标准 Keccak 为 96.21%）。
  • 碰撞抗性水平 (CRL)： 99.01%。
  • 锚定延迟： 1253 ms（显著低于 Keccak 的 3821 ms 和 SHA 的 9841 ms）。
• 入侵检测 (GSBDOSTLRU)：
  • 准确率 (Accuracy)： 99.31%（传统 GRU/LSTM/RNN 约为 91.05%）。
  • 精确率 (Precision)： 99.19%。
  • 召回率 (Recall)： 99.23%。
  • F-测量 (F-Measure)： 99.15%。
• 身份验证 (PRDSA)：
  • 签名创建时间 (SCT)： 2784 ms（DSA 为 4928 ms）。
  • 签名验证时间 (SVT)： 2191 ms（DSA 为 4178 ms）。
• 数据安全 (FFPQC)：
  • 安全等级： 98.47%，攻击水平仅为 1.27%。
  • 加解密时间： 加密 2294 ms / 解密 2110 ms（快于 PQC、ECC、AES 和 DES）。
• 密钥存储 (STISS)：
  • 熵： 251 bits（SSS 为 214 bits）。
  • 量子鲁棒性： 98.21%。

5. 意义与范围

作者断言，这项研究为智能城市物联网环境建立了一个稳健的信息安全框架。其重要性在于：

• 解决日志伪造差距： 通过使用 PEKeccak 在网关层锚定数据，该系统专门针对网关日志操纵这一漏洞。
• 量子韧性： 集成了 FFPQC 和 STISS，为应对未来的量子对手提供了防御。
• 自适应安全： 入侵检测系统中引入的迁移学习使得系统能够针对传统模型可能遗漏的动态新威胁进行泛化。
• 高效性： 使用轻量级算法（用于状态估计的 PE、用于签名的 PRDSA）确保了该框架在保持高安全标准的同时，能够适用于资源受限的物联网节点，这一点从降低的锚定延迟（1253 ms 对比标准 Keccak 的 3821 ms）得到了证实。

本文结论指出，所提框架通过涉及安全初始化、量子抗性加密、自适应入侵检测和不可篡改链上锚定的多层方法，成功保障了物联网智能城市环境的安全。未来的工作建议侧重于检测针对数字基础设施的同步攻击。