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中文标题： 面向基于发布-订阅的物联网网络的匿名 MQTT 分析
英文标题： An Analysis of Anonymous MQTT for Publish-Subscribe-Based IoT Networks

作者信息

• Yudai Fukushima：东京都立大学电气工程与计算机科学系硕士生，研究方向为安全网络协议设计，包括物联网安全与隐私。

• Hotaru Tsunamoto：东京都立大学电气工程与计算机科学系硕士生，研究方向为信息安全与匿名通信以及物联网网络。

• Kazuya Sakai：东京都立大学电气工程与计算机科学系副教授，研究方向为信息安全、无线与移动计算以及分布式算法。

• Min-Te Sun：台湾中央大学计算机科学与信息工程系教授，研究方向为分布式计算和物联网。

• Wei-Shinn Ku：美国奥本大学计算机科学与软件工程系教授，研究方向为数据库、数据科学、移动计算和网络安全。

论文出处

本文发表于《IEEE Transactions on Network Science and Engineering》，DOI 为 10.25/IEEE.TNSE.2025.3557506。

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论文主要内容概述

摘要

本文研究了基于消息队列遥测传输（MQTT）的物联网（IoT）网络中的匿名通信问题。MQTT 是一种广泛应用于物联网的发布-订阅通信协议，但当前的 MQTT 标准并不支持物联网设备和用户的隐私保护。为此，本文提出了一种基于洋葱路由的匿名 MQTT 协议（A-MQTT），通过分布式物联网代理网络实现匿名通信。该协议重新设计了隐私概念，包括可追溯率、设备匿名性和路径匿名性，并通过模拟结果验证了其在安全性能上的显著提升。

1. 引言

MQTT 是一种标准化的应用层消息协议，广泛应用于物联网网络中的发布-订阅通信。然而，MQTT 协议并未提供匿名通信机制，导致物联网设备和用户在数据发布和收集过程中面临隐私泄露风险。本文提出了一种针对物联网的匿名通信协议 A-MQTT，通过洋葱路由技术保护物联网设备的隐私。该协议的核心贡献包括：设计了一个分布式物联网代理网络架构，提出了匿名消息协议，并通过模拟验证了其隐私性能。

2. 相关工作

本文回顾了匿名通信、分布式 MQTT 架构以及物联网中的匿名路由相关研究。现有匿名通信技术主要针对互联网和无线网络，无法直接应用于基于发布-订阅的物联网网络。此外，现有的分布式 MQTT 架构研究主要关注性能优化，而非隐私保护。

3. 预备知识

本文介绍了 MQTT 协议和洋葱路由的基本概念。MQTT 是一种轻量级的发布-订阅协议，适用于资源受限和低带宽系统。洋葱路由通过多层加密保护消息的路由路径和节点身份，防止流量分析攻击。

4. 问题定义

本文提出了一个分布式物联网代理网络架构，其中多个代理节点相互连接并作为消息传输的中间节点。消息从发布者传输到多个订阅者，路径为多播形式。本文定义了攻击模型，包括路径追踪和去匿名化攻击，并提出了隐私度量指标，如可追溯率和匿名性。

5. 匿名消息协议

A-MQTT 协议通过洋葱路由技术实现匿名通信。协议的核心思想是：消息在发布者和订阅者之间通过多个中间代理节点传输，每个节点对消息进行加密或解密。通过这种方式，消息的路径和内容被隐藏，从而保护了发布者和订阅者的隐私。协议的详细实现步骤在算法 1 中给出。

6. 匿名消息协议的分析

本文对 A-MQTT 协议的隐私性能进行了分析，包括可追溯率、发布者匿名性、订阅者匿名性和路径匿名性。通过数学建模和模拟验证，本文提出了这些隐私指标的闭式近似解，并证明了协议在隐私保护方面的有效性。

7. 性能评估

本文通过模拟实验比较了 A-MQTT 协议与现有协议（如普通 MQTT 和 Tailored OR）的性能。实验结果表明，A-MQTT 在隐私保护方面显著优于现有协议，同时在延迟和流量开销方面表现合理。实验还验证了理论分析与模拟结果的一致性。

8. 实现

本文通过在 Raspberry Pi 4 和 MacBook Pro 上实现 A-MQTT 协议的原型，验证了其在实际物联网环境中的可行性。实验结果表明，A-MQTT 协议可以在商业物联网设备和笔记本电脑上合理部署，尽管匿名通信会带来额外的延迟，但这种成本对于保护隐私是必要的。

9. 结论

本文提出了一种基于洋葱路由的匿名 MQTT 协议，通过分布式物联网代理网络实现了匿名通信。通过理论分析和模拟实验，本文验证了协议在隐私保护方面的有效性。未来的研究方向包括将差分隐私技术应用于 MQTT 协议、保护物联网设备的位置隐私以及在其他物联网协议中实现匿名通信。