[論文レビュー] Secure Lightweight Authentication for Multi User IoT Environment

Chintan Patel|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Advanced Authentication Protocols Security被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、楕円曲線暗号（ECC）とMQTTプロトコルを用いた、マルチユーザーアプリケーション向けの軽量で安全なリモート認証プロトコルを提案する。AVISPAおよびBAN論理による形式的検証を通じて強力なセキュリティを実現するとともに、計算コストと通信コストを低減し、4.5003 msの計算コストと992ビットの通信コストを達成することで、既存の手法に比べて効率性と一般的な暗号的攻撃に対する耐性に優れている。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is giving a boost to a plethora of new opportunities for the robust and sustainable deployment of cyber physical systems. The cornerstone of any IoT system is the sensing devices. These sensing devices have considerable resource constraints, including insufficient battery capacity, CPU capability, and physical security. Because of such resource constraints, designing lightweight cryptographic protocols is an opportunity. Remote User Authentication ensures that two parties establish a secure and durable session key. This study presents a lightweight and safe authentication strategy for the user-gateway (U GW) IoT network model. The proposed system is designed leveraging Elliptic Curve Cryptography (ECC). We undertake a formal security analysis with both the Automated Validation of Internet Security Protocols (AVISPA) and Burrows Abadi Needham (BAN) logic tools and an information security assessment with the Delev Yao channel. We use publish subscribe based Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol for communication. Additionally, the performance analysis and comparison of security features show that the proposed scheme is resilient to well known cryptographic threats.

研究の動機と目的

• リソース制限のあるIoTデバイスを、最小限の計算および通信コストでマルチユーザ環境で安全に保つ課題に対処する。
• IoTシステムにおけるユーザ-ゲートウェイ（U-GW）間通信のための安全でスケーラブルな認証メカニズムを設計する。
• 現実的な制約下で、リプレイ攻撃、なりすまし攻撃、鍵漏洩などの一般的な暗号的攻撃に対して耐性を持つことを保証する。
• 計算コスト、通信コスト、エンドツーエンド遅延、パケット損失、スループットの観点からパフォーマンスを最適化する。
• ラズベリーパイなどの軽量ハードウェアおよびMQTTなどの標準プロトコルを用いた実用的導入を可能にする。

提案手法

• 従来の公開鍵暗号方式と比較して計算負荷を低減するため、効率的な鍵生成と安全な認証を実現するため、楕円曲線暗号（ECC）を活用する。
• ユーザとゲートウェイ間の軽量かつ低帯域幅の通信を実現するため、発行/購読型のメッセージキューイングテレメトリトランスポート（MQTT）プロトコルを採用する。
• ユーザID、ノンス、タイムスタンプ、およびECCベースの公開鍵演算を含む2メッセージ認証交換により、共有セッション鍵を確立する。
• 相互認証および鍵機密性の検証のために、形式的セキュリティ解析としてAVISPAおよびBAN論理を適用する。
• 記号的脅威モデルにおける脅威耐性を評価するため、Dolev-Yaoモデルを用いた非形式的セキュリティ評価を実施する。
• Pythonを用いてラズベリーパイおよびnodeMCUデバイスにプロトコルを実装し、Wiresharkおよびカスタムスクリプトを用いてパフォーマンスおよびネットワーキングメトリクスを収集する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、IoTセンシングデバイスの厳しいリソース制約を満たしつつ、強力なセキュリティ保証を達成できる軽量な認証プロトコルを設計できるか？
• RQ2 本手法は、リプレイ攻撃、なりすまし攻撃、鍵漏洩などの代表的な暗号的攻撃に対して、どの程度耐性を示すか？
• RQ3 既存の関連手法と比較して、本手法のパフォーマンス（特に計算コスト、通信コスト、エンドツーエンド遅延、スループット）はどのように差をつけるか？
• RQ4 AVISPAおよびBAN論理といった形式的検証ツールは、IoT環境における本プロトコルのセキュリティ特性を効果的に検証できるか？
• RQ5 MQTTを通信レイヤーとして用いた低消費電力IoTデバイスに実装した場合、本プロトコルの実世界におけるパフォーマンスはどのようになるか？

主な発見

• 本手法は合計で約4.5003 msの計算コストを達成しており、[31]（8.9339 ms）および[12]（13.4078 ms）といった既存手法よりも顕著に低い。
• 通信コストは1セッションあたり992ビットにまで低減され、[12]、[28]、[29]、[30]、[31]の手法よりも低く、帯域幅効率に優れていることが示された。
• Wiresharkおよび実際のIoTハードウェア上でPythonベースのネットワーク分析を用いた検証により、ラウンドトリップ遅延とパケット損失が低減され、スループットが向上していることが確認された。
• AVISPAおよびBAN論理による形式的検証により、リプレイ攻撃やなりすまし攻撃などの一般的な脅威に対して本プロトコルが耐性を持つことが確認された。
• ラズベリーパイおよびnodeMCUへの実装により、リソース制限のあるIoTデバイスに本手法を最小限のパフォーマンス低下で実装可能であることが確認された。
• ECCベースの演算（2 $T_{Pm}$、5 $T_{Syn}$、11 $T_{h}$）の使用により、最小限の計算オーバーヘッドで強力なセキュリティが実現され、バッテリ駆動および埋め込み型IoTシステムに適している。