[論文レビュー] Key management system for WSNs based on hash functions and elliptic curve cryptography

Hamzeh Ghasemzadeh, Ali Payandeh+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2017

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ハッシュ関数と楕円曲線暗号（ECC）を組み合わせることで、即時認証を可能にし、DoS攻撃に耐性を持つ、セキュアでエネルギー効率の良い無線センサネットワーク（WSNs）の鍵管理システムを提案する。改善されたプロトコルは、より知識を持つベースステーションを活用することで、以前のPKCベースの方式における脆弱性を軽減し、エネルギー消費をわずか1.82 mJ増加させるだけで、元の手法の効率性とセキュリティ特性を維持する。

ABSTRACT

Due to hostile environment and wireless communication channel, security mechanisms are essential for wireless sensor networks (WSNs). Existence of a pair of shared key is a prerequisite for many of these security mechanisms; a task that key management system addresses. Recently, an energy efficient method based on public key cryptography (PKC) was proposed. We analyze this protocol and show that it is vulnerable to denial of service (DOS) attacks and adversary can exhaust memory and battery of nodes. Then, we analyze this protocol and show that using a more knowledgeable BS this vulnerability can be solved very efficiently. Based on this observation we propose a modified version of the protocol that achieves immediate authentication and can prevent DOS attacks. We show that the improved protocol achieves immediate authentication at the expense of 1.82 mj extra energy consumption while retaining other desirable characteristics of the basic method.

研究の動機と目的

• 既存のWSNs用鍵管理プロトコルにおけるセキュリティ脆弱性、特にメモリおよびバッテリーの枯渇を引き起こすDenial-of-Service（DoS）攻撃への感受性を是正すること。
• リソース制限のある無線センサネットワークにおける認証速度と耐性を向上させること。
• セキュリティを強化しながらも、エネルギー効率を維持し、メモリおよびバッテリー枯渇攻撃に対して耐性を持つこと。
• 信頼できる、知識を持つベースステーションを介して即時認証を可能にするプロトコルを設計すること。
• WSNsの鍵管理における、セキュリティ強化とエネルギー消費のトレードオフを評価すること。

提案手法

• リソース制限のある環境における効率的な公開鍵操作を実現するため、楕円曲線暗号（ECC）を用いる。
• 鍵の導出および整合性検証を強化するため、暗号的ハッシュ関数を統合する。
• 鍵交換要求の検証および認証に、信頼できるベースステーション（BS）を用いることで、不正または重複する要求を防止する。
• ノード参加前に、BSがセッション開始要求を事前に検証することで、即時認証を実現する。
• 悪意あるトラフィックをブロックするために、中央集権的な検証ステップを導入することで、以前のPKCベースの方式を変更する。
• エネルギー消費を測定し、元のプロトコルと比較することで、強化されたセキュリティに伴うオーバーヘッドを定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WSNsにおける鍵管理システムは、ノードのメモリおよびバッテリーを枯渇させるDoS攻撃に対して、どのようにして耐性を持たせることができるか？
• RQ2 WSNsの鍵管理プロトコルにおいて、即時認証を実現するための最小限のエネルギーオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 より知識を持つベースステーションは、PKCベースの鍵交換方式におけるDoS脆弱性を効果的に軽減できるか？
• RQ4 ハッシュ関数とECCの統合は、計算コストを著しく増加させることなく、どのようにしてセキュリティを向上させることができるか？
• RQ5 WSNsの鍵管理において、セキュリティ強化とエネルギー効率の間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、信頼できるベースステーションを介した即時認証により、DoS攻撃を効果的に防止した。
• 強化されたプロトコルは、元の方式と比較してわずか1.82 mJの追加エネルギー消費しか生じない。
• システムは、元のPKCベースのアプローチのエネルギー効率とスケーラビリティを維持しながら、セキュリティを著しく向上させた。
• 知識を持つベースステーションの活用により、悪意あるノードによるリソース枯渇が効果的にブロックされた。
• 元の設計の軽量性を損なわず、即時認証を実現した。
• 評価結果から、セキュリティの向上が、全体のエネルギー消費にほとんど影響を与えないことが確認された。