[論文レビュー] Securing Vehicle to Vehicle Communications using Blockchain through Visible Light and Acoustic Side-Channels

Sean Rowan, Michael Clear+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2017

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 13被引用数 59

ひとこと要約

本論文は、CMOSカメラの可視光と超音波のサイドチャネルを、ブロックチェーンベースの公開鍵基盤と組み合わせて、非常に低いスループット要件で車間セッション鍵を安全に確立することを提案します。ハードウェア実装、セキュリティ根拠、および低帯域幅のサイドチャネル向けに適用されたTLS風ハンドシェイクを提示します。

ABSTRACT

Autonomous and self-driving vehicles are appearing on the public highways. These vehicles commonly use wireless communication techniques for both vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communications. Manufacturers, regulators and the public are understandably concerned about large-scale systems failure or malicious attack via these wireless vehicular networks. This paper explores the use of sensing and signalling devices that are commonly integrated into modern vehicles for side-channel communication purposes. Visible light (using a CMOS camera) and acoustic (ultrasonic audio) side-channel encoding techniques are proposed, developed and evaluated in this context. The side-channels are examined both theoretically and experimentally and an upper bound on the line code modulation rate that is achievable with these side channel schemes in the vehicular networking context is established. A novel inter-vehicle session key establishment protocol, leveraging both side-channels and a blockchain public key infrastructure, is then presented. In light of the limited channel capacity and the interoperability/security requirements for vehicular communications, techniques for constraining the throughput requirement, providing device independence and validating the location of the intended recipient vehicle, are presented. These reduce the necessary device handshake throughput to 176 bits for creating symmetric encryption and message authentication keys and in verifying a vehicle's certificate with a recognised certification authority.

研究の動機と目的

• 自動運転/ platooning シナリオにおけるRF干渉・障害時の安全な車間通信を動機づける。
• signaling のためのコモディティハードウェアサイドチャネル（CMOSカメラによる可視光および超音波）を探求する。
• blockchainを活用したPKIと証明書検証を利用した低スループットのセッション鍵確立プロトコルを開発する。
• 映像識別子と車両番号プレートデータを用いて通信車両の identity を認証する。
• 提案サイドチャネルアプローチのセキュリティ性、実用性、スループット上限を評価する。

提案手法

• Ultrasonic（2 kbps）とCMOSカメラの視覚光サイドチャネル（最小で15 bits/s）を車間 signaling に適用・評価する。
• 各サイドチャネルのラインコード signaling の検出・デコードアルゴリズムを開発する（アルゴリズム1および2）。
• 公開鍵と証明書の保存・検証を分散ハッシュテーブル（DHT）付きのブロックチェーンベースの公開鍵基盤（Blockstack）を用いて行う。
• サイドチャネルを用いた新規176ビット対称鍵交換ハンドシェイクを提案し、認証のために車番号プレート認識と証明書チェックを強化する。
• phi から T{phi} への視覚特徴マッピングを用いて視覚チャネルをターゲット車両に結びつけ、位置検証を可能にする。
• TLS 1.2 ハンドシェイクの概念を採用するが、スループットを最小化し、オフライン/オンボードのブロックチェーデータを用いて中央集権的なオンライン credentials を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視光と超音波のサイドチャネルは、連続的なRFが利用できない状況で、安全で低スループットな車間通信を提供できるか。
• RQ2 ブロックチェーンベースのPKIと証明機関をサイドチャネルと統合して、車両を認証し対称鍵を確立する方法は。
• RQ3 提案されたサイドチャネルの現実的な車載シcenario における達成可能なスループットの境界とセキュリティ特性は何か。
• RQ4 車両認証を強化し、なりすまし攻撃を抑止するために、車両登録データとCVベースの視覚情報をどのように活用できるか。

主な発見

• 視覚サイドチャネルのスループットは、30 fps のCMOSカメラで最小15 bits/s、超音波は約2 kbpsの双方向通信が可能。
• 提案されたハンドシェイクは対称暗号化とメッセージ認証キーを確立するのにわずか176ビットのデータを必要とする。
• ブロックチェーンベースの分散ハッシュテーブル（Blockstack）は、証明機関からの証明書検証を伴うオフライン/オンラインの鍵データ配布を実現する。
• システムは実務的な前方安全性を一定程度達成し、phi to T{phi} マッピングと車両番号認識によって受信車両が意図したものであることを検証できる。
• 超音波チャネルの物理的指向性と視覚チャネルの観測可能性は、盗聴およびなりすまし攻撃に対するセキュリティを高める。