[論文レビュー] Hash-MAC-DSDV: Mutual Authentication for Intelligent IoT-Based Cyber-Physical Systems

Muhammad Adil, Mian Ahmad Jan+5 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Advanced Authentication Protocols Security被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、DSDVルーティングにMACアドレスのハッシュ化とブロックチェーン風のローカル/パブリックチェーンを組み合わせることで、軽量で分散型の相互認証方式「Hash-MAC-DSDV」を提案する。この方式により、階層的なチェーンにMACアドレスを登録し、一方向ハッシュ検証を用いることで、エネルギー効率に優れたデバイス間相互認証を実現し、エネルギー消費を11%削減するとともに、ピーク負荷下でもわずか7%のパケット損失率を達成した。

ABSTRACT

Cyber-Physical Systems (CPS) connected in the form of Internet of Things (IoT) are vulnerable to various security threats, due to the infrastructure-less deployment of IoT devices. Device-to-Device (D2D) authentication of these networks ensures the integrity, authenticity, and confidentiality of information in the deployed area. The literature suggests different approaches to address security issues in CPS technologies. However, they are mostly based on centralized techniques or specific system deployments with higher cost of computation and communication. It is therefore necessary to develop an effective scheme that can resolve the security problems in CPS technologies of IoT devices. In this paper, a lightweight Hash-MAC-DSDV (Hash Media Access Control Destination Sequence Distance Vector) routing scheme is proposed to resolve authentication issues in CPS technologies, connected in the form of IoT networks. For this purpose, a CPS of IoT devices (multi-WSNs) is developed from the local-chain and public chain, respectively. The proposed scheme ensures D2D authentication by the Hash-MAC-DSDV mutual scheme, where the MAC addresses of individual devices are registered in the first phase and advertised in the network in the second phase. The proposed scheme allows legitimate devices to modify their routing table and unicast the one-way hash authentication mechanism to transfer their captured data from source towards the destination. Our evaluation results demonstrate that Hash- MAC-DSDV outweighs the existing schemes in terms of attack detection, energy consumption and communication metrics.

研究の動機と目的

• インfraストラクチャを必要としない展開と中央集権的認証に依存するため、IoTベースのサイバーフィジカルシステム（CPS）がセキュリティ脅威に対して脆弱である問題に対処する。
• 中央集権的D2D認証の限界、例えば単一障害点や高い通信オーバーヘッドを克服する。
• IoT-CPSにおけるマルチ-WSN環境に適した、分散型で軽量な相互認証メカニズムを設計する。
• 最適化されたルーティングと認証により、動的で分散型のIoTネットワークにおけるエネルギー消費の低減とネットワーク信頼性の向上を図る。
• ハッシュベースの検証を備えたハイブリッドローカルおよびパブリックチェーンアーキテクチャを用いて、安全で一貫性があり、効率的なデバイス間通信を確保する。

提案手法

• 一方向ハッシュ関数を用いた相互認証を強化した、変更されたDSDVルーティングプロトコルを提案する。
• 二段階のチェーンアーキテクチャを実装する：クラスターヘッドにローカルチェーンを設け、ベースステーションにパブリックチェーンを設ける。
• 正当なデバイスのMACアドレスをクラスターヘッド（ローカルチェーン）に登録し、それをベースステーション（パブリックチェーン）に伝搬してグローバルな検証を可能にする。
• スプーフィングを防ぐために、MACアドレスにMD5ハッシュアルゴリズムを適用し、パブリックチェーンに広告する。
• ユニキャスト通信と一方向ハッシュ認証を用いて、データ送信中にデバイスの正当性を検証する。
• 認証済みのローカルおよびパブリックチェーン情報に基づいてルーティングテーブルを更新し、安全で効率的なデータ転送を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央集権サーバーに依存せずに、分散型のIoT-CPSネットワークでどのように相互認証を実現できるか。
• RQ2 マルチ-WSN環境において、標準DSDVと比較して、提案されたHash-MAC-DSDV方式がエネルギー消費をどの程度削減できるか。
• RQ3 高いネットワーク負荷および悪意ある活動下において、この方式のパケット損失率と遅延はどの程度の性能を示すか。
• RQ4 ローカルチェーンとパブリックチェーンの統合は、分散型IoT-CPSにおけるデバイス認証のスケーラビリティと信頼性を向上させるか。
• RQ5 リアルタイム無線ネットワークにおける攻撃検出と通信オーバーヘッドに、ハッシュベースのMAC検証が及える影響は何か。

主な発見

• シミュレーションベースのネットワーク運用において、Hash-MAC-DSDV方式は標準DSDVプロトコルと比較してエネルギー消費を11%削減した。
• ピークネットワークトラフィックおよび悪意あるトラフィック状態下でも、わずか7%の低パケット損失率を達成した。
• 正当なノードの特徴的な通信パターンのおかげで、悪意あるデバイスが存在してもメッセージ交換中の遅延が安定したままであった。
• 認証済みMACアドレスと一方向ハッシュ検証の導入により、攻撃検出率が顕著に向上した。
• ユニキャスト送信と認証済みチェーンデータに基づく効率的なルーティングテーブル更新により、通信コストが低減した。
• セキュリティ、エネルギー効率、信頼性の指標において、従来の中央集権的および分散型認証手法を上回る性能を示した。