[論文レビュー] The Impact of DoS Attacks onResource-constrained IoT Devices:A Study on the Mirai Attack

Bhagyashri Tushir, Hetesh Sehgal+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Network Security and Intrusion Detection被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、リソース制限のあるIoTデバイスに対するMirai DDoS攻撃の制御された実デバイス分析を実施し、エネルギー消費、CPU、メモリ、SDカード、イーサーネットI/O使用状況を測定した。UDPフラッド攻撃により、標的となったデバイスではエネルギー消費が最大38.44%増加し、被害を受けるデバイスではSDカード使用状況が64.6%増加した。これは、IoT環境における深刻なリソース枯渇リスクを示している。

ABSTRACT

Mirai is a type of malware that creates a botnet of internet-connected devices, which can later be used to infect other devices or servers. This paper aims to analyze and explain the Mirai code and create a low-cost simulation environment to aid in the dynamic analysis of Mirai. Further, we perform controlled Denial-of-Service attacks while measuring resource consumption on resource-constrained compromised and victim Internet-of-Things (IoT) devices, such as energy consumption, CPU utilization, memory utilization, Ethernet input/output performance, and Secure Digital card usage. The experimental setup shows that when a compromised device sends a User Datagram Protocol (UDP) flood, it consumes 38.44% more energy than its regular usage. In the case of Secure Digital usage, the victim, when flooded with Transmission Control Protocol (TCP) messages, uses 64.6% more storage for reading and 55.45% more for writing. The significant extra resource consumption caused by Mirai attacks on resource-constrained IoT devices can severely threaten such devices' wide adoption and raises great challenges for the security designs in the resource-constrained IoT environment.

研究の動機と目的

• 実デバイスを用いた動的実験を通じて、リソース制限のあるIoTデバイスに及ぼすMiraiマルウェアの挙動と影響を分析すること。
• DDoS攻撃中のリソース消費を正確に測定可能な、低コストで隔離された実験環境を構築すること。
• TCPおよびUDPフラッド攻撃が、標的となったデバイスおよび被害を受けるデバイスのエネルギー、CPU、メモリ、SDカード、イーサーネットI/O使用状況に与える影響を定量的に評価すること。
• Mirai攻撃によって引き起こされるリソースオーバーヘッドに関する実証的データを提供し、IoTにおける軽量なセキュリティ防御策の構築を支援すること。

提案手法

• 仮想化環境ではなく、実際のIoTデバイスを用いてMiraiマルウェアの静的および動的分析を実施した。
• Raspberry Piデバイスを用いて、Miraiボットネットの挙動をシミュレート可能な低コストでインターネット隔離されたテストベッドを構築した。
• 標的となったデバイスから被害を受けるデバイスへ、制御されたTCPおよびUDPフラッド攻撃を実行し、リアルタイムでのリソース消費を測定した。
• エネルギー消費（ワット）、CPUおよびメモリ使用率、イーサーネットI/O（Kbps）、SDカードの読み取り／書き込みサイクル（Kbps）などのメトリクスを収集した。
• パケット数のログ記録およびTCPとUDPフラッドのネットワーク行動の差異分析にtsharkを用いた。
• 非感染状態、標的となった状態（攻撃中）、被害を受ける状態（受信中）、および両方の状態で攻撃を受けた状態の4つのデバイス状態におけるリソース使用状況を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Miraiボットネットが、TCPおよびUDPフラッド攻撃下で、標的となったデバイスおよび被害を受けるデバイスのエネルギー消費にどのように影響を与えるか？
• RQ2 リソース制限のあるIoTデバイスにおいて、TCPフラッドとUDPフラッド攻撃の間で、CPU、メモリ、I/O使用率にどのような差異が生じるか？
• RQ3 DDoS攻撃中、ネットワークプロトコル（TCP対UDP）が、SDカードおよびイーサーネットI/O使用状況にどのように影響を与えるか？
• RQ4 TCPのコグネッション制御メカニズムは、UDPに比べてリソース消費をどの程度低減するか？
• RQ5 エミュレーテッド環境ではなく、物理デバイスで測定した場合、Mirai攻撃の実世界におけるリソースオーバーヘッドはどの程度か？

主な発見

• UDPフラッド攻撃を実行している標的となったデバイスは、通常時と比較してエネルギー消費が38.44%増加した。一方、UDPフラッド攻撃を受ける被害デバイスは、通常時と比較して34.61%のエネルギー消費増加を示した。
• TCPフラッド攻撃下では、被害デバイスのSDカードの読み取りサイクルが通常時と比較して64.6%増加し、書き込みサイクルは55.45%増加した。
• UDPフラッド攻撃下の標的となったデバイスは、通常時と比較してSDカードの読み取りが32.03%増加、書き込みが29.22%増加しており、I/O負荷の増加が顕著である。
• CPU使用率は、UDPフラッド攻撃下の被害デバイスで1.6%増加している一方、TCPフラッド攻撃下では6.42%減少しており、パケット処理のオーバーヘッドが要因である。
• イーサーネットI/Oの結果、標的となったデバイスはより多くの書き込み（特にUDPの場合）を実行している一方、被害デバイスはより多くの読み取り（特にUDPの場合）を受信しており、ネットワーク負荷の増加が確認された。
• 本研究では、コグネッション制御がなく、パケットレートが高いことから、UDPフラッド攻撃がTCPフラッド攻撃よりも顕著に高いリソース消費を引き起こすことが確認された。