[論文レビュー] Smart Home Survey on Security and Privacy

Nisha Panwar, Shantanu Sharma+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 19被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、距離測定、ISO-KE、SIGMA、 Schnorr、Okamoto IS、Pedersenコミットメントなどの暗号プロトコルを適応することで、スマートホームにおけるデバイス間通信および所有者からクラウドへの通信を保護するプライバシー尊重型セキュリティモデルを提案する。これらのプロトコルが平均8 ms未塔の低遅延性能を達成できることを示しており、オンラインの信頼できる第三者に依存せずに機密性とアクセス制御を確保できるため、リソース制約のあるスマートホーム環境に適している。

ABSTRACT

Smart homes are a special use-case of the Internet-of-Things (IoT) paradigm. Security and privacy are two prime concern in smart home networks. A threat-prone smart home can reveal lifestyle and behavior of the occupants, which may be a significant concern. This article shows security requirements and threats to a smart home and focuses on a privacy-preserving security model. We classify smart home services based on the spatial and temporal properties of the underlying device-to-device and owner-to-cloud interaction. We present ways to adapt existing security solutions such as distance-bounding protocols, ISO-KE, SIGMA, TLS, Schnorr, Okamoto Identification Scheme (IS), Pedersen commitment scheme for achieving security and privacy in a cloud-assisted home area network.

研究の動機と目的

• デバイス通信に対する傍受監視や推論攻撃に起因するスマートホームネットワーク上のセキュリティおよびプライバシー脅威に対処すること。
• デバイス間および所有者からクラウドへの相互作用の空間的・時間的特性に基づいてスマートホームサービスを分類すること。
• 距離測定、ISO-KE、SIGMA、Schnorr、Okamoto IS、Pedersenコミットメントなどの既存の暗号プロトコルを、HANにおける安全かつプライベートな通信に適応すること。
• これらのプロトコルが実際のスマートホームシナリオにおける計算遅延および通信オーバーヘッドの観点から、どの程度の性能を示すかを評価すること。
• プロキシ再暗号化および同型暗号化が、秘密鍵や平文データを露呈させることなく、暗号化されたデータ上で安全な計算を可能にすることを実証すること。

提案手法

• 本稿では、空間的および時間的ダイナミクスに基づき、スマートホームサービスをデバイス間（D2D）および所有者からクラウド（O2C）への相互作用に分類する。
• ISO-KE、SIGMA、Schnorr識別方式などの既存プロトコルを適応し、近接性に基づくHANにおける相互認証および機密性を実現する。
• 研究では、Python 3のCharm Cryptoライブラリを用いてプロトコルを実装・ベンチマークし、楕円曲線（prime192v1）および1024ビットのセーフプライムを用いた整数群でテストを実施する。
• Elgamalに基づく構成を用いてプロキシ再暗号化を評価し、秘密鍵を露呈させることなくアクセス権の委譲を安全に実現できるようにする。
• 同型暗号化として、Paillier方式を評価し、プライバシーを保持したまま暗号化されたデータ上で計算を可能にする。
• 性能は、各プロトコルを1000回実行して測定し、実行時間および計算複雑度（例：指数乗算の回数）に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして暗号プロトコルを適応させ、スマートホームにおけるデバイス間および所有者からクラウドへの相互作用を保護できるか？
• RQ2 選択されたプロトコルがリアルタイムHAN環境において、どの程度の計算遅延オーバーヘッドを示すか？
• RQ3 プロキシ再暗号化および同型暗号化は、秘密鍵や平文データを露呈させることなく、安全なデータアクセスおよび計算を可能にするか？
• RQ4 リソース制約のあるスマートホームネットワークにおいて、異なる暗号スキームは性能および通信効率の観点でどのように比較できるか？
• RQ5 これらのプロトコルは、信頼できる第三者のオンライン支援なしに、どの程度の範囲で動作可能か？

主な発見

• prime192v1におけるISO-KEの平均実行時間は3.899 msであり、Schnorr ISは1.126 msと最も低い遅延を達成した。
• 距離測定プロトコルは距離検証のための帯域外通信を必要としたが、すべての評価済みプロトコルが数分の1秒以内で動作し、リアルタイムHANアプリケーションに適していることが分かった。
• プロキシ再暗号化スキームにより、プロキシや受領者も第三者にアクセス権を転送できないよう、安全なアクセス権の委譲が可能となった。
• Paillier方式を用いた同型暗号化により、暗号化されたデータ上で加法的計算が可能となり、データ集約中でも機密性が保持された。
• 性能評価の結果、無線信号伝搬遅延と比較して計算オーバーヘッドは無視できるほど小さく、スマートホームにおける実用的導入が可能であることが示された。
• すべてのプロトコルはCharm Cryptoライブラリを用いて正常に実装され、実世界のスマートホームシステムへの実現可能性が確認された。