[논문 리뷰] Key management system for WSNs based on hash functions and elliptic curve cryptography

Hamzeh Ghasemzadeh, Ali Payandeh외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 23.

Security in Wireless Sensor Networks참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 해시 함수와 타원 곡선 암호화(ECC)를 결합하여 즉각적인 인증과 서비스 거부(DoS) 공격에 저항할 수 있는 보안성과 에너지 효율성이 뛰어난 무선 센서 네트워크(WSNs)를 위한 키 관리 시스템을 제안한다. 개선된 프로토콜은 이전의 공개 키 암호화(PKC) 기반 기법의 취약성을 보완하기 위해 더 지능적인 기지국을 활용하며, 원래 방법의 효율성과 보안 성질을 유지하면서 에너지 소비를 단지 1.82 mJ만 추가로 유발한다.

ABSTRACT

Due to hostile environment and wireless communication channel, security mechanisms are essential for wireless sensor networks (WSNs). Existence of a pair of shared key is a prerequisite for many of these security mechanisms; a task that key management system addresses. Recently, an energy efficient method based on public key cryptography (PKC) was proposed. We analyze this protocol and show that it is vulnerable to denial of service (DOS) attacks and adversary can exhaust memory and battery of nodes. Then, we analyze this protocol and show that using a more knowledgeable BS this vulnerability can be solved very efficiently. Based on this observation we propose a modified version of the protocol that achieves immediate authentication and can prevent DOS attacks. We show that the improved protocol achieves immediate authentication at the expense of 1.82 mj extra energy consumption while retaining other desirable characteristics of the basic method.

연구 동기 및 목표

• 기존 WSN 키 관리 프로토콜의 보안 취약점을 해결하기 위해, 특히 메모리와 배터리 고갈을 유도하는 서비스 거부(DoS) 공격에 취약한 점을 개선한다.
• 자원이 제한된 무선 센서 네트워크에서 인증 속도와 내성 강화를 향상시킨다.
• 메모리 및 배터리 고갈 공격에 대비해 보안성을 향상시키면서도 에너지 효율성을 유지한다.
• 신뢰할 수 있는 지능적인 기지국을 통해 즉각적인 인증을 가능하게 하는 프로토콜을 설계한다.
• WSN 키 관리에서 보안 강화와 에너지 소비 간의 상호 교환 관계를 평가한다.

제안 방법

• 자원이 제한된 환경에서 효율적인 공개 키 연산을 위해 타원 곡선 암호화(ECC)를 사용한다.
• 키 유도 및 무결성 검증을 강화하기 위해 암호 해시 함수를 통합한다.
• 신뢰할 수 있는 기지국(BS)을 활용하여 키 교환 요청을 검증하고 인증함으로써, 비인가 또는 반복적인 요청을 차단한다.
• 노드 참여 이전에 기지국이 세션 시작 요청을 사전 검증함으로써 즉각적인 인증을 가능하게 한다.
• 기존의 PKC 기반 기법을 수정하여 악성 트래픽을 차단하기 위해 중앙 집중식 검증 단계를 도입한다.
• 에너지 소비를 측정하고 원래 프로토콜과 비교하여 보다 높은 보안성의 오버헤드를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WSN 키 관리 시스템은 어떻게 메모리와 배터리 고갈을 유도하는 서비스 거부(DoS) 공격에 저항할 수 있는가?
• RQ2 WSN 키 관리 프로토콜에서 즉각적인 인증을 달성하기 위해 필요한 최소한의 에너지 오버헤드는 얼마인가?
• RQ3 더 지능적인 기지국은 공개 키 암호화(PKC) 기반 키 교환 기법의 DoS 취약성을 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ4 해시 함수와 ECC의 통합은 계산 비용을 크게 증가시키지 않으면서 보안을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 WSN 키 관리에서 보안 강화와 에너지 효율성 간의 상호 교환 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 신뢰할 수 있는 기지국을 통해 즉각적인 인증을 가능하게 하여 DoS 공격을 성공적으로 방지한다.
• 개선된 프로토콜은 원래 기법 대비 에너지 소비가 단지 1.82 mJ 뿐 추가로 발생한다.
• 원래의 PKC 기반 접근 방식의 에너지 효율성과 확장성을 유지하면서도 보안성이 크게 향상된다.
• 지능적인 기지국의 활용은 악성 노드가 노드 자원을 고갈시키는 것을 효과적으로 차단한다.
• 기존 설계의 경량성에 손상을 주지 않으면서도 즉각적인 인증을 달성한다.
• 평가 결과, 보안 향상은 전체 에너지 소비에 미치는 영향을 최소화하면서 달성됨을 확인할 수 있다.