[論文レビュー] SecureTime: Secure Multicast Time Synchronization

Robert Annessi, Joachim Fabini+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Advanced Authentication Protocols Security参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、Ed25519およびMQQ-SIGという高性能なデジタル署名を活用して、NTPおよびPTPにおけるデータ発信元認証を実現する、安全なマルチキャスト時刻同期プロトコル「SecureTime」を提案する。このプロトコルは、再送攻撃および遅延攻撃に対して耐性を示し、同期精度への影響を最小限に抑えつつ、強固なセキュリティを実現しており、1ステップモードおよび2ステップモードの両方において効率性を損なわない。

ABSTRACT

Due to the increasing dependency of critical infrastructure on synchronized clocks, network time synchronization protocols have become an attractive target for attackers. We identify data origin authentication as the key security objective and suggest to employ recently proposed high-performance digital signature schemes (Ed25519 and MQQ-SIG)) as foundation of a novel set of security measures to secure multicast time synchronization. We conduct experiments to verify the computational and communication efficiency for using these signatures in the standard time synchronization protocols NTP and PTP. We propose additional security measures to prevent replay attacks and to mitigate delay attacks. Our proposed solutions cover 1-step mode for NTP and PTP and we extend our security measures specifically to 2-step mode (PTP) and show that they have no impact on time synchronization's precision.

研究の動機と目的

• インフラ構造に影響を及ぼすサイバー攻撃の増加に伴い、ネットワーク時刻同期が標的となる脅威に対処すること。
• 時刻同期プロトコルにおけるデータ発信元認証を、主なセキュリティ要件として特定すること。
• 現代のデジタル署名方式を用いて、安全で効率的なマルチキャスト時刻同期ソリューションを設計すること。
• セキュリティメカニズムがNTPおよびPTPプロトコルの同期精度を低下させないことを保証すること。

提案手法

• マルチキャスト環境における時刻メッセージの認証に、Ed25519およびMQQ-SIGデジタル署名方式を適用する。
• NTPおよびPTPプロトコルの1ステップモードおよび2ステップモードの両方に、署名ベースの認証を統合する。
• 再送攻撃を防止するため、メッセージのシーケンスカウンタおよびタイムスタンプベースの再送防止機構を導入する。
• 同期されたタイムスタンプ検証およびメッセージ新鮮度チェックを用いて、遅延攻撃を緩和する。
• NTPおよびPTPの元来のタイミング精度を損なわないように、セキュリティメカニズムを設計する。
• 標準ハードウェア上での計算および通信オーバーヘッドを評価するための実験を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチキャスト時刻同期プロトコルにおいて、データ発信元認証をどのように効率的に実現できるか？
• RQ2 NTPおよびPTPに高性能なデジタル署名を統合した場合のパフォーマンスへの影響は何か？
• RQ3 再送攻撃および遅延攻撃を、同期精度を低下させることなく効果的に緩和できるか？
• RQ4 提案されたセキュリティ対策は、さまざまなネットワーク環境および展開シナリオにおいてスケーラブルか？
• RQ5 マルチキャスト時刻同期において、セキュリティ、パフォーマンス、精度の間のトレードオフは何か？

主な発見

• Ed25519およびMQQ-SIG署名の使用は、NTPおよびPTPの両方において計算および通信オーバーヘッドをほとんど生じさせない。
• 再送および遅延攻撃に対する提案されたセキュリティ対策は、同期プロトコルのタイミング精度を低下させない。
• SecureTimeは、PTPの1ステップモードおよび2ステップモードの両方を正常にサポートしており、顕著なパフォーマンスの低下は観察されない。
• 実験結果から、セキュリティメカニズムが効率的であり、リアルタイム性が求められるインフラ構造用途に適していることが確認された。
• 現代の暗号方式を用いることで、時刻同期プロトコルへのデジタル署名の統合は実現可能で実用的である。
• 本ソリューションは、正確な時刻同期に不可欠な低ジタータイミング特性を維持しながら、高いセキュリティ保証を達成している。