[論文レビュー] Addressing Security and Privacy Challenges in Internet of Things

Arsalan Mosenia|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

User Authentication and Security Systems参考文献 418被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ウェアラブルおよびインプラント可能な医療機器（IWMDs）を焦点として、インテอรnet・オブ・Things（IoT）システムにおける新たなセキュリティおよびプライバシー解決策を提案する。エネルギー効率の良い鍵交換およびウェイクアップメカニズムのためのプロトコル、センサー駆動の緊急対応システムを狙った新たな攻撃クラスであるDISASTER、および従来のパスワードベースの方法を超えるセキュリティを強化するための生体信号（BioAura）を用いた継続的認証システム（CABA）を導入する。

ABSTRACT

Internet of Things (IoT), also referred to as the Internet of Objects, is envisioned as a holistic and transformative approach for providing numerous services. The rapid development of various communication protocols and miniaturization of transceivers along with recent advances in sensing technologies offer the opportunity to transform isolated devices into communicating smart things. Smart things, that can sense, store, and even process electrical, thermal, optical, chemical, and other signals to extract user-/environment-related information, have enabled services only limited by human imagination. Despite picturesque promises of IoT-enabled systems, the integration of smart things into the standard Internet introduces several security challenges because the majority of Internet technologies, communication protocols, and sensors were not designed to support IoT. Several recent research studies have demonstrated that launching security/privacy attacks against IoT-enabled systems, in particular wearable medical sensor (WMS)-based systems, may lead to catastrophic situations and life-threatening conditions. Therefore, security threats and privacy concerns in the IoT domain need to be proactively studied and aggressively addressed. In this thesis, we tackle several domain-specific security/privacy challenges associated with IoT-enabled systems.

研究の動機と目的

• ウェアラブルおよびインプラント可能な医療機器（IWMDs）を含む、IoT対応の健康モニタリングシステムにおける深刻なセキュリティおよびプライバシーの脆弱性に対処すること。
• バッテリ駆動の医療機器における長期的かつ安全な運用を可能にするために、エネルギー効率の良い暗号プロトコルを開発すること。
• 生理的信号の漏洩や緊急対応メカニズムの欠陥を含む、新たな攻撃表面を同定および分析すること。
• 既存の生体信号（BioAura）を用いた継続的認証システム（CABA）を提案し、一時的なパスワードシステムの置き換えまたは強化すること。
• 実世界のサイバー物理システム（CPSs）である住宅および産業自動化システムに、DISASTERのような新規攻撃が与える実現可能性と影響を実証すること。

提案手法

• インプラント可能な医療機器（IMDs）におけるバッテリを消耗させる攻撃に耐性のある安全なウェイクアッププロトコルを設計する。
• IMDsと外部デバイス間での暗号鍵の機密性を保証する低消費電力の鍵交換プロトコルを開発する。
• 人体から発する信号を通じて生理的情報が漏洩し、プライベートな患者データを推定可能であるという概念を提示する。
• CPSの安全メカニズムにおける設計上の欠陥を悪用する新しい攻撃クラスであるDISASTER（センサー駆動緊急対応に対する専用知能的セキュリティ攻撃）を定義および分析する。
• ウェアラブル・モニタリング・システム（WMSs）からのリアルタイム生体信号を用いて継続的ユーザー認証を実現するCABA（BioAuraに基づく継続的認証）を提案する。
• CABAの判断に基づき動的にアクセス制御を調整するリアルタイムの適応型承認スキームを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電力制限のあるIWMDsにおいて、長期的かつ安全な運用を可能にするために、エネルギー効率の良い暗号プロトコルをどのように設計できるか。
• RQ2 人体から漏洩する生理的信号が、直接デバイスにアクセスせずに、プライベートな健康状態や行動情報を推定するためにどの程度悪用可能か。
• RQ3 既存のセンサー駆動の緊急対応システムに、不正な緊急行動のトリガーを引き起こす設計上の欠陥は何か。
• RQ4 生体信号（BioAura）を用いた継続的認証が、従来のワンタイムパスワードシステムよりも強力なセキュリティを提供できるか。
• RQ5 生体信号の時間的変動が、継続的認証システムの信頼性および正確性に与える影響は何か。

主な発見

• 提案された安全なウェイクアップおよび鍵交換プロトコルは、強力な機密性を維持しながらエネルギー消費を顕著に削減し、インプラントデバイスにおける継続的データ暗号化を可能にする。
• 心電図（ECG）や筋電図（EMG）などの生理的信号は、攻撃者がデバイスに直接アクセスしなくても、健康状態や日常の行動パターンといった機微な患者情報を推定可能である。
• DISASTER攻撃は、実際の緊急事態が発生しない状況でも、住宅および産業用CPSにおける緊急対応を成功裏に引き起こすことができ、安全およびシステム整合性に対する深刻なリスクを示している。
• CABAシステムは、既存のWMSデータを活用して高い正確性で継続的ユーザー認証を達成し、パスワードベースのシステムに代わる実用的で低コストの代替手段を提供する。
• 本研究では、電気使用量のパターンのような非重要なセンサデータですら、居住者数や日常習慣といったプライベート情報を推定可能であることが判明した。
• 生体信号の時間的変動は認証性能に影響を与えるが、CABAシステムはリアルタイムの適応および動的承認制御により、優れた耐性を示している。