[論文レビュー] Attacks and Countermeasures in Fingerprint Based Biometric Cryptosystems

Benjamin Tams|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2013

Biometric Identification and Security参考文献 19被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、指紋の minutiae をグリッドベースに丸めることと、ランダム化された復号手順を用いることで、相関攻撃および偽受容攻撃に対して耐性を持つ安全な minutiae に基づくファジーセーフト実装を提案する。この手法は、標準データベース上で 91% の GAR（真正受容率）を達成し、偽受容はゼロであり、交差マッチング耐性が認証性能を犠牲にすることなく達成可能であることを示しており、完全な実装は再現可能性を図るために公開されている。

ABSTRACT

We investigate implementations of biometric cryptosystems protecting fingerprint templates (which are mostly based on the fuzzy vault scheme by Juels and Sudan in 2002) with respect to the security they provide. We show that attacks taking advantage of the system's false acceptance rate, i.e. false-accept attacks, pose a very serious risk --- even if brute-force attacks are impractical to perform. Our observations lead to the clear conclusion that currently a single fingerprint is not sufficient to provide a secure biometric cryptosystem. But there remain other problems that can not be resolved by merely switching to multi-finger: Kholmatov and Yanikoglu in 2007 demonstrated that it is possible to break two matching vault records at quite a high rate via the correlation attack. We propose an implementation of a minutiae fuzzy vault that is inherently resistant against cross-matching and the correlation attack. Surprisingly, achieving cross-matching resistance is not at the cost of authentication performance. In particular, we propose to use a randomized decoding procedure and find that it is possible to achieve a GAR=91% at which no false accepts are observed on a database generally used. Our ideas can be adopted into an implementation of a multibiometric cryptosystem. All experiments described in this paper can fully be reproduced using software available for download.

研究の動機と目的

• 既存の指紋ベースのバイオメトリック暗号システムにおける深刻なセキュリティ脆弱性、特に偽受容および相関攻撃を特定・分析すること。
• ブルートフォース攻撃に対して耐性を持つものの、依然として脆弱な単一指のバイオメトリック暗号システムの限界を是正すること。
• 認証性能を低下させることなく、交差マッチングおよび相関攻撃に対して本質的に耐性を持つ minutiae ファジーセーフを設計すること。
• セキュリティを維持しながら効率的なセーフ認証を実現する、実用的でランダム化された復号メカニズムを開発すること。
• オープンソースのソフトウェアと詳細な実験的検証を提供することで、再現可能な研究を可能にすること。

提案手法

• 真正およびチーフポイント間の空間的相関を攻撃者が利用できないようにするため、指紋の minutiae を剛体グリッドに丸める。
• セーフ構築のための特徴空間として全グリッドを使用することで、相関分析による真正ポイントとチーフポイントの区別を不可能にする。
• 候補多項式を決定的でない順序で反復するランダム化されたデコーダーを実装し、予測可能性を低下させ、統計的分析に対する耐性を向上させる。
• 誤り訂正符号を用いてバイオメトリックノイズに耐性を持たせつつ、多項式再構築仮定の下でセキュリティを維持する。
• 標準指紋データベースを用いて、制御された条件下での真正受容率（GAR）および偽受容率（FAR）を測定することで、システムを検証する。
• すべての実験の再現性を可能にするために、完全なソースコードを含む C++ ライブラリ「thimble」を公開する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 指紋ベースのファジーセーフシステムにおいて、認証性能を損なわせることなく、相関攻撃を効果的に緩和することは可能か？
• RQ2 高い真正受容率を維持しつつ、バイオメトリック暗号システムで偽受容をゼロにすることは可能か？
• RQ3 minutiae のグリッドベースの丸めは、ファジーセーフ方式のセキュリティおよびパフォーマンスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 ランダム化された復号手順は、バイオメトリック認証における統計的およびサイドチャネル攻撃に対する耐性をどの程度向上させ得るか？
• RQ5 提案手法は、複数指またはマルチモーダルバイオメトリック暗号システムへ一般化可能か？

主な発見

• 提案されたファジーセーフ実装は、標準指紋データベース上で 91% の真正受容率（GAR）を達成し、偽受容はゼロであり、高いパフォーマンスと強固なセキュリティを示している。
• グリッドベースの minutiae 丸めにより、真正ポイントとチーフポイント間の空間的相関を排除することで、本手法は相関攻撃に対して効果的に耐性を持つ。
• ランダム化された復号手順はセーフのセキュリティを損なわず、候補多項式の体系的列挙を防止するため、統計的分析に対する耐性を向上させる。
• 偽受容攻撃はブルートフォース攻撃よりも効率的であることが示され、計算的に非現実的であるという防御だけでは不十分であることが強調された。
• thimble C++ ライブラリおよびパフォーマンス評価用のサンプルプログラムを含む、公開可能なソフトウェアを用いることで、実装は完全に再現可能である。
• 本研究では、複数指システムだけでは相関攻撃を防げないことが判明し、グリッドベースの特徴符号化のようなアーキテクチャ的変更の必要性が強化された。