[text] hoi

### Abstract

 

The proliferation of edge computing has redefined data processing landscapes, particularly within environments requiring rapid data processing and reduced latency, such as IoT and 5G infrastructures. In such settings, the need for robust, efficient, and secure communication protocols is paramount, especially in multi-server architectures where data integrity and privacy are critical. This paper presents a novel privacy-preserved end-to-end authenticated key exchange protocol specifically designed for multi-server environments in edge computing. The protocol leverages elliptic curve cryptography (ECC) to enhance security while maintaining efficiency, ensuring that user anonymity and mutual authentication are robustly supported. Through comprehensive security analysis using both formal and informal methods, including BAN logic and the AVISPA tool, this protocol demonstrates strong resistance against common security threats such as man-in-the-middle, replay, and impersonation attacks. Additionally, the protocol's performance is evaluated, revealing significant improvements in computational efficiency compared to traditional key exchange protocols, making it particularly suitable for resource-constrained edge environments.

 

### Introduction

 

#### 1. Background

 

The advent of edge computing has dramatically shifted the processing of massive amounts of data from centralized data centers to the edge of the network, closer to where data is actually generated and collected. This shift is driven by the growing demands of IoT applications and the expansion of 5G networks, which necessitate real-time processing capabilities and ultra-low latency. However, these advantages also bring forth substantial challenges in terms of security, particularly in scenarios involving multiple servers that manage and process the data.

 

#### 2. The Need for Advanced Security Solutions

 

Multi-server architectures in edge computing are particularly vulnerable to various security risks, including data breaches, unauthorized access, and various cyber-attacks. Traditional security protocols often fall short in addressing these issues effectively in edge environments due to their computational overhead and inefficiency in handling dynamic and distributed network interactions. Therefore, there is a critical need for a security solution that not only strengthens data protection and privacy but also aligns with the operational and performance requirements of edge computing infrastructures.

 

#### 3. Research Objectives

 

This paper aims to develop a secure and efficient authenticated key exchange protocol that addresses the unique challenges of multi-server edge computing networks. The primary objectives of this research are:

 

- **To enhance security and privacy**: By implementing a protocol that supports strong user anonymity and mutual authentication without compromising the security integrity of the communications.

- **To improve computational efficiency**: Ensuring that the protocol is suitable for resource-constrained environments typical in edge computing, by leveraging elliptic curve cryptography which offers high-security levels with lower computational requirements.

- **To validate security effectiveness**: Through rigorous security analysis using established formal methods to ensure the protocol’s capabilities in withstanding various security threats.

 

#### 4. Contribution of This Work

 

The major contributions of this paper are the design and implementation of a privacy-preserved end-to-end authenticated key exchange protocol for multi-server architecture in edge computing networks, detailed security analysis demonstrating its robustness against advanced security threats, and performance evaluation highlighting its suitability for edge computing scenarios. This work not only advances the state of security protocols in edge computing but also offers practical implications and implementations for industries relying on edge technologies.

 

#### 5. Structure of the Paper

 

Following this introduction, the paper is structured as follows: Section 2 reviews the challenges in multi-server architectures and discusses existing protocols. Section 3 introduces the new key exchange protocol in detail, followed by Section 4 which presents a comprehensive security analysis. Section 5 evaluates the performance and efficiency of the protocol, and Section 6 explores potential future directions and applications. Finally, Section 7 concludes the paper by summarizing the key findings and implications of the research.

 

This structured approach ensures a thorough exploration of the authenticated key exchange protocol, highlighting its significance and applicative value in enhancing the security posture of edge computing environments.