[論文レビュー] BANZKP: a Secure Authentication Scheme Using Zero Knowledge Proof for WBANs

Nesrine Khernane, Maria Potop-Butucaru+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Wireless Body Area Networks参考文献 29被引用数 29

ひとこと要約

BANZKPは、ゼロ知識証明（ZKP）およびコンミットメント方式を用いて、ノードのアイデンティティを保証しながら、計算およびメモリのオーバーヘッドを最小限に抑える、軽量でエネルギー効率の良い認証方式を、無線ボディエリアネットワーク（WBANs）に提案する。これは、現在のWBAN用ZKPベースの先駆的方式であるTinyZKPと比較して、メモリ使用量を56.13%削減し、エネルギー消費量を10%削減する。

ABSTRACT

-Wireless body area network(WBAN) has shown great potential in improving healthcare quality not only for patients but also for medical staff. However, security and privacy are still an important issue in WBANs especially in multi-hop architectures. In this paper, we propose and present the design and the evaluation of a secure lightweight and energy efficient authentication scheme BANZKP based on an efficient cryptographic protocol, Zero Knowledge Proof (ZKP) and a commitment scheme. ZKP is used to confirm the identify of the sensor nodes, with small computational requirement, which is favorable for body sensors given their limited resources, while the commitment scheme is used to deal with replay attacks and hence the injection attacks by committing a message and revealing the key later. Our scheme reduces the memory requirement by 56.13 % compared to TinyZKP [13], the comparable alternative so far for Body Area Networks, and uses 10 % less energy.

研究の動機と目的

• 制限されたリソースと無線の脆弱性に起因する、マルチホップWBANにおける重要なセキュリティおよびプライバシー課題に対処する。
• TinySec、MiniSec、TinyPKといった既存の方式が、高いメモリ使用量、鍵管理の複雑さ、または高い計算コストを抱えるという限界を克服する。
• リプレイ攻撃およびインジェクション攻撃に対して強いセキュリティを確保しながら、エネルギーおよびメモリ消費量を最小限に抑える、軽量な認証プロトコルを設計する。
• リソース制約のあるWBAN環境において、ボディセンサとシンクノードの間で安全でスケーラブルかつ効率的な相互認証を実現する。

提案手法

• 秘密情報を露呈せずにセンサノードの認証を可能にするために、ゼロ知識証明（ZKP）を活用し、計算オーバーヘッドを低減する。
• メッセージを鍵に束縛するコンミットメント方式を採用することで、遅延した鍵の公開を可能にし、リプレイおよびインジェクション攻撃を防止する。
• 鍵を事前に配布することで、実行時における鍵生成を排除し、ランタイムの計算コストをゼロに抑える。
• 重い公開鍵暗号暗号に代わる、軽量な演算に依存する4メッセージ交換プロトコルを用いてアイデンティティの検証を実現する。
• MiXiM/OMNeT++シミュレーションフレームワークにおけるコンバージキャストルーティングプロトコルに、本方式を追加モジュールとして統合し、現実的な評価を実施する。
• メッセージサイズの最小化と、大きな数や証明書の保存を回避することで、通信コストを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限されたリソースを有するWBAN向けに、エネルギーおよびメモリ消費量を最小限に抑えた安全な相互認証プロトコルをどのように設計できるか？
• RQ2 ZKPとコンミットメント方式を組み合わせることで、WBANにおけるリプレイおよびインジェクション攻撃に対してどれほど強固なセキュリティを提供できるか？
• RQ3 BANZKP方式は、特にメモリおよびエネルギー消費量の観点から、TinyZKPなどの既存の方式と比較して、どの程度効率的で安全であるか？
• RQ4 事前に配布された鍵とコンミットメント方式を組み合わせることで、WBAN環境において動的鍵生成よりも優れたパフォーマンスを達成できるか？
• RQ5 軽量な暗号演算を用いることで、WBAN認証プロトコル全体のセキュリティおよびスケーラビリティにどのような影響を与えるか？

主な発見

• BANZKPは、複数の公開鍵および秘密鍵の保存を回避し、ECDSA/SHA-1のオーバーヘッドを排除することで、TinyZKPと比較して56.13%のメモリ使用量削減を達成する。
• モジュラー乗算およびECDSA演算の排除により、エネルギー消費量がTinyZKPと比較して10%削減される。
• 通信コストは認証ごとに1000ビットであり、TinyZKPの1710ビットと比較して顕著に低い水準に抑えられ、エネルギー消費量の低減に寄与する。
• 鍵が事前に配布されているため、計算コストは実質的にゼロとなり、実行時における鍵生成および検証を回避する。
• コンミットメント方式によりメッセージと鍵を束縛し、遅延した鍵の公開を可能にすることで、BANZKPはリプレイおよびインジェクション攻撃に対して効果的に耐性を示す。
• 4メッセージ交換による安全な相互認証を実現しており、マルチホップWBANにおける低遅延および効率的な運用を確保する。