[論文レビュー] Securing Instrumented Environments over Content-Centric Networking: the Case of Lighting Control

Jeff Burke, Paolo Gasti+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2012

Caching and Content Delivery参考文献 18被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、名前データ、ネイティブコンテンツ署名、公開鍵認証を活用して、効率的でポリシー制御されたアクセス制御を実現する、安全でNDNベースのビルダボレーションシステムにおける照明制御のための通信アーキテクチャを提案する。プロトタイプは、従来のコンテンツ配布を越えて、インストルメンテッド環境における低遅延で安全なアクチュエーションをNDNが効果的にサポートできることを示している。

ABSTRACT

Instrumented environments, such as modern building automation systems (BAS), are becoming commonplace and are increasingly interconnected with (and sometimes by) enterprise networks and the Internet. Regardless of the underlying communication platform, secure control of devices in such environments is a challenging task. The current trend is to move from proprietary communication media and protocols to IP over Ethernet. While the move to IP represents progress, new and different Internet architectures might be better-suited for instrumented environments. In this paper, we consider security of instrumented environments in the context of Content-Centric Networking (CCN). In particular, we focus on building automation over Named-Data Networking (NDN), a prominent instance of CCN. After identifying security requirements in a specific BAS sub-domain (lighting control), we construct a concrete NDN-based security architecture, analyze its properties and report on preliminary implementation and experimental results. We believe in securing a communication paradigm well outside of its claimed forte of content distribution. At the same time, we provide a viable (secure and efficient) communication platform for a class of instrumented environments exemplified by lighting control.

研究の動機と目的

• ビルダボレーションシステム（BAS）のようなインストルメンテッド環境における、セキュリティおよび相互運用性の課題が増大する中、特にエントープライズおよびインターネットネットワークと統合される状況を対象とする。
• コンテンツ指向アーキテクチャとしてのネームド・データ・ネットワーキング（NDN）が、従来コンテンツ配布の分野に特化していたが、制御およびアクチュエーションワークロードを安全にサポートできるかどうかを調査する。
• NDNのネイティブ機能（コンテンツネーミング、デジタル署名、ネーミングによる組み込みアクセス制御）を活用して、安全で効率的かつスケーラブルな照明制御のための通信フレームワークを設計する。
• 共有鍵や平文パスワードに依存する弱いまたは存在しないセキュリティメカニズムを有する、既存のBASプロトコル（例：KNX、LonTalk、Fieldbus）の制限を克服する。
• 名前によるネイティブなアクセスポリシー表現が可能であり、アプリケーション固有のアクセス制御プロトコルの必要性を排除できることを示し、システムの複雑さを低減する。また、低消費電力で埋め込み可能なデバイスをBAS環境でサポートする。

提案手法

• 各デバイス、コマンド、応答がその機能またはアイデンティティに基づいて生成される名前によって一意に識別される、NDNの名前データモデルを用いた照明制御のセキュリティアーキテクチャを設計する。
• 各エンティティ（例：コントローラ、ランプ）を個別の公開鍵に関連付けることで、公開鍵暗号を用いて強力な認証とすべてのコンテンツのデジタル署名を実現する。
• NDNのネイティブコンテンツ署名を活用して、データの完全性と送信元の真正性を保証し、中間ノードやネットワークインfraの信頼性に依存しない。
• アクセス制御ポリシーをネーミング階層そのものに直接埋め込むことで、適切な名前を持つエンティティのみが特定のコマンドを発行または受信可能となるようにし、別個のポリシー言語の必要性を排除する。
• 低消費電力デバイスに最適化された、ディフィー・ヘルマンとAESを基盤とするチャレンジ・レスポンスプロトコルを採用して鍵交換および相互認証を実現する。
• コマンドの確認応答を最小限に抑える（例：1ビットの応答）とともに、ハッシュチェーンや暗号化チャレンジを用いてセキュアに保つことで、遅延と通信オーバーヘッドを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NDNのコンテンツ指向モデルは、ビルダボレーションのようなインストルメンテッド環境におけるリアルタイムで低遅延な制御通信を効果的にサポートできるか？
• RQ2 NDNのネイティブ機能（コンテンツネーミング、デジタル署名、名前ベースのアクセス制御）を活用して、安全で効率的な照明制御システムを構築できるか？
• RQ3 NDNは、従来のBASプロトコル（例：KNX、LonTalk、Fieldbus）に比べて、セキュリティ、設定の柔軟性、相互運用性の面で代替または改善が可能か、その程度はいかほどか？
• RQ4 アクセス制御ポリシーをNDNの名前そのものにネイティブに埋め込むことができるか。これにより、アプリケーションレベルのポリシー管理の必要性が排除され、システムの複雑さが低減するか？
• RQ5 低消費電力で埋め込み可能なBAS環境におけるアクチュエーションおよび制御にNDNを適用した場合の、パフォーマンスおよびスケーラビリティへの影響は何か？

主な発見

• 提案されたNDNベースのアーキテクチャは、コントローラと照明器具間で低遅延通信を効果的に実現し、照明制御のリアルタイム要件を満たしている。
• 名前ベースのアクセス制御の活用により、追加のアプリケーションレベルのアクセス制御プロトコルを必要とせず、細かく制御されたポリシー制御されたデバイスアクセスが可能である。
• NDNにおけるコンテンツ署名と公開鍵認証により、データの完全性、送信元の真正性、なりすましに対する耐性といった強力なセキュリティ保証が得られている。
• IPアドレスやポート番号への依存を避けた設計により、異種ネットワーク間での構成が簡素化され、相互運用性が向上している。
• プロトタイプ実装により、NDNが低消費電力環境に効率的に展開可能であることが示された。ハッシュチェーンや暗号化チャレンジを用いた最適化された認証メカニズムにより、オーバーヘッドが低減されている。
• Diffie-HellmanとAESを組み合わせたハイブリッドプロトコルを用いた鍵配布により、最小限のリソース消費で相互認証が可能となる。