[논문 리뷰] BANZKP: a Secure Authentication Scheme Using Zero Knowledge Proof for WBANs

Nesrine Khernane, Maria Potop-Butucaru외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 02.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 29인용 수 29

한 줄 요약

BANZKP는 무선 신체망(WBANs)을 위한 경량이며 에너지 효율적인 인증 체계를 제안한다. 이는 제로 지식 증명(ZKP)과 커밋먼트 기반 기법을 활용하여 노드 신원을 보장하면서도 계산 및 메모리 오버헤드를 최소화한다. 기존 최고 수준의 ZKP 기반 체계인 TinyZKP 대비 메모리 사용량을 56.13% 감소시키고 에너지 소비량을 10% 감소시킨다.

ABSTRACT

-Wireless body area network(WBAN) has shown great potential in improving healthcare quality not only for patients but also for medical staff. However, security and privacy are still an important issue in WBANs especially in multi-hop architectures. In this paper, we propose and present the design and the evaluation of a secure lightweight and energy efficient authentication scheme BANZKP based on an efficient cryptographic protocol, Zero Knowledge Proof (ZKP) and a commitment scheme. ZKP is used to confirm the identify of the sensor nodes, with small computational requirement, which is favorable for body sensors given their limited resources, while the commitment scheme is used to deal with replay attacks and hence the injection attacks by committing a message and revealing the key later. Our scheme reduces the memory requirement by 56.13 % compared to TinyZKP [13], the comparable alternative so far for Body Area Networks, and uses 10 % less energy.

연구 동기 및 목표

• 제한된 자원과 무선 환경의 취약성으로 인해 발생하는 다중 홉 WBAN 환경에서의 임상적 보안 및 개인정보 보호 문제를 해결한다.
• TinySec, MiniSec, TinyPK와 같은 기존 체계들이 높은 메모리 사용량, 키 관리의 복잡성 또는 높은 계산 비용으로 인해 겪는 한계를 극복한다.
• 재해결 자원이 제한된 환경에서 복잡한 공개키 암호화 기법을 피하고 경량 연산을 활용함으로써 복제 및 위조 공격에 강력한 보안을 확보하면서도 에너지 및 메모리 소비를 최소화하는 경량 인증 프로토콜을 설계한다.
• 제한된 자원 환경에서 신체 센서와 싱크 노드 간의 안전하고 확장성 있고 효율적인 상호 인증을 가능하게 한다.

제안 방법

• 기밀 정보를 노출하지 않으면서도 노드를 인증하기 위해 제로 지식 증명(ZKP)을 활용하여 계산 오버헤드를 감소시킨다.
• 메시지를 키에 바인딩함으로써 복제 및 위조 공격을 방지하기 위해 지연된 키 공개 기능을 갖춘 커밋먼트 기반 기법을 도입한다.
• 실시간 키 생성을 제거하기 위해 암호 키를 사전에 배포함으로써 런타임 계산 비용을 0으로 줄인다.
• 공개키 암호화 기법을 피하고 경량 연산에 의존하는 4메시지 교환 프로토콜을 사용하여 신원 확인을 수행한다.
• 실제 환경에서의 평가를 위해 MiXiM/OMNeT++ 시뮬레이션 프레임워크의 수렴 캐스트 라우팅 프로토콜에 이 체계를 추가로 통합한다.
• 메시지 크기를 최소화하고 큰 수나 증명서의 저장을 피함으로써 통신 비용을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 자원 환경에서 최소한의 에너지 및 메모리 소비로 경량화된 상호 인증 프로토콜을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 ZKP와 커밋먼트 기반 기법을 어떻게 조합하여 WBAN 환경에서 복제 및 위조 공격에 대해 강력한 보안을 확보할 수 있는가?
• RQ3 BANZKP 체계는 기존의 TinyZKP와 같은 체계와 비교해 메모리 및 에너지 소비 측면에서 얼마나 효율적이고 안전한가?
• RQ4 사전에 분배된 키와 커밋먼트 기반 기법을 조합하면 동적 키 생성 대비 WBAN 환경에서 더 뛰어난 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 경량 암호 연산을 사용할 경우 WBAN 인증 프로토콜의 전체 보안성 및 확장성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• BANZKP는 공개 및 비공개 키를 여러 개 저장하지 않으며 ECDSA/SHA-1 오버헤드를 제거함으로써 TinyZKP 대비 메모리 사용량을 56.13% 감소시켰다.
• 비싼 모듈로 곱셈 연산과 ECDSA 연산을 제거함으로써 BANZKP는 TinyZKP 대비 10% 더 적은 에너지를 소비한다.
• BANZKP의 통신 비용은 인증당 1000비트로, TinyZKP의 1710비트보다 크게 낮아져 에너지 소비 감소에 기여한다.
• 키를 사전에 배포함으로써 계산 비용이 실제로 0이 되었으며, 실시간 키 생성 및 검증 과정이 제거되었다.
• 지연된 키 공개 기능을 갖춘 커밋먼트 기반 기법을 통해 복제 및 위조 공격을 효과적으로 방지하였다.
• 단지 4개의 메시지 교환을 통해 안전한 상호 인증을 달성하여 다중 홉 WBAN 환경에서 저지연성과 효율적인 운영을 보장하였다.