密码学的发展为人们提供了保护隐私和保障通信安全的有力工具， 然而，密码技术本身并不足以完全确保信息安全。如何正确、 合理地使用密码，如何确保密码在应用中的有效性和安全性，这需要更深层次的理解和更高的智慧。1978年，NSPK协议（Needham-Schroeder Public Key Protocol）首次提出时，因其结构简洁且巧妙地运用了公钥密码技术而备受推崇。但仅三年后，该协议的安全漏洞即被形式化安全分析专家发现。这一事件表明，即使是被广泛认可的安全协议，也可能隐藏着潜在的安全风险，这一事例凸显了形式化安全分析的重要性。形式化安全分析方法及其相关的自动化验证工具为网络协议和复杂系统的安全性检测提供了可靠的技术支持。随着网络系统规模的不断扩大和复杂性的持续增加，安全漏洞检测的难度和重要性显著提升，而采用形式化分析方法可通过数学逻辑和形式化建模发现系统中的潜在问题，确保协议在严苛条件下的安全性和可靠性。形式化安全分析不仅对密码安全协议的设计至关重要，也为协议的实际系统实现提供了关键保障。近年来，随着无线通信技术的飞速发展，适用于不同网络环境的密码安全协议层出不穷，而形式化安全分析方法也因此备受关注并得到广泛应用。例如，在物联网（IoT）环境中，研究人员利用ProVerif和Tamarin等形式化工具，成功识别并修复了物联网安全传输协议（如CoAP和MQTT）中的潜在问题，从而显著提升了这些协议的安全性和鲁棒性。此外，形式化分析工具如KEVM和Isabelle等已被用于区块链中智能合约的代码逻辑分析，可帮助人们及时发现并修复潜在漏洞，避免因漏洞而导致的财产等损失。形式化方法在现代移动支付协议中的应用也取得了显著进展。研究人员利用形式化方法对Apple Pay、 Google Pay等协议进行了深入分析，以确保用户信息的机密性和交易过程的完整性，并有效预防重放攻击和恶意中间人攻击。本书以网络安全协议的形式化分析为主题，系统地介绍了相关的基础理论和方法。内容涵盖了形式化安全分析的数理基础、 信息安全系统和网络协议的形式化建模方法、 形式化安全规约的定义以及如何通过形式化验证工具进行安全性分析等内容。全书系统且详尽地阐述了形式化安全分析方法的应用范围、 基本原理、 主要类型和证明流程，并结合大量实例与实际应用中的问题，通过生动的案例帮助读者深入理解和掌握形式化安全验证的理论、 方法和技巧，从而夯实读者利用代数逻辑推理和计算机软件进行安全性验证的能力，提升读者的科学研究水平，推动形式化安全分析方法在信息安全领域的实践应用。本书在讲解形式化安全分析和密码安全协议的同时，特别注重融入课程思政内容，以帮助读者在掌握专业知识的过程中建立科学的安全观与责任意识。密码学不仅是保护个人隐私的技术手段，更是构筑国家信息安全屏障的关键技术，直接关系到国家的网络主权和社会的和谐稳定。在学习和研究密码学及形式化安全分析的过程中，读者可以理解和认识到个人隐私与国家信息安全的重要性，增强保障数据安全的使命感。此外，形式化安全分析强调严谨的逻辑思维和科学的推理方法，深入研究密码协议的安全性，可以培养读者严谨求实的科学态度，锻炼理性分析和批判性思维能力。这种能力不仅对信息安全领域至关重要，也将影响到其他专业领域的学习与工作，能够帮助读者成为具有高度社会责任感和严谨思维素养的专业人才。本书的编写历时一年有余，其间作者参考了大量的形式化方法书籍和科研论文资料，如清华大学出版社出版的《形式化方法导论》和科学出版社出版的《安全协议形式化分析与验证》等，获得了极大启发。因作者个人工作的缘故，书稿一度搁置半年多时间，后在出版社李惠萍老师的多次督促与协助下，作者克服诸多困难，最终完成了本书的编写。尽管作者力求内容周全，但限于时间仓促，书中难免存在不足之处，恳请读者不吝赐教，提出宝贵的意见和建议，以便进一步完善和提升。作 者2024年9月于西安