[논문 리뷰] POKs Based Low Energy Authentication Scheme for Implantable Medical Devices.

Chenglong Fu, Xiaojiang Du외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 27.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 신체적으로 난이도 높은 키(POKs)를 사용하여 기밀 키를 안전하게 저장함으로써, 임플란트 의료 기기(IMDs)를 위한 경량이며 저에너지의 상호 인증 기반 기술을 제안한다. POKs를 활용해 키를 보호하고 사전 공유 키를 통해 동적 인증을 가능하게 함으로써, 최소한의 계산 오버헤드로 강력한 보안을 확보하며, 프로토타입 구현과 보안 분석을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Implantable medical devices (IMDs), including pacemakers, implanted cardiac defibrillators and neurostimulator are medical devices implanted into patients' bodies via surgery and are capable of monitoring patient's conditions and delivering therapy. They often have built-in radio modules to support data reading and parameters reconfiguration according to the commands from external programmers. The lack of a secure authentication mechanism exposes patients to cyber attacks over the air and threatens patients' lives. Physically Obfuscated Keys (POKs) are a special means for storing the secret key inside the integrated circuit. In this paper, we design an effective authentication system for IMDs by utilizing POKs. The dynamic authentication and access control scheme is based on some secure pre-shared keys, which are protected by the POKs. We evaluate the proposed scheme with detailed security analysis and implement it on a prototype testbed to demonstrate its lightweight feature.

연구 동기 및 목표

• 무선을 통한 강력한 인증 메커니즘이 부재함으로써 발생하는 임플란트 의료 기기(IMDs)의 심각한 보안 취약점을 해결한다.
• 신체적 공격 및 사이드 채널 공격으로부터 IMD 내 기밀 키를 보호하기 위해 물리적으로 난이도 높은 키(POKs)를 사용한다.
• 자원 제약이 심한 IMD에 적합한 경량이며 에너지 효율적인 인증 프로토콜을 설계한다.
• POK로 보호된 키를 사용하여 IMD와 외부 프로그래머 간의 동적 상호 인증 및 액세스 제어를 가능하게 한다.
• 실제 테스트베드 구현을 통해 제안된 기술의 실현 가능성과 효율성을 입증한다.

제안 방법

• 임플란트 의료 기기의 통합 회로 내부에서 POKs를 활용해 기밀 키를 생성하고 안전하게 저장함으로써, 신체적 추출에 저항할 수 있도록 한다.
• POK로 보호된 사전 공유 키를 기반으로 한 인증 프로토콜을 설계하여, 오직 인증된 외부 프로그래머만 IMD에 액세스하거나 재구성할 수 있도록 한다.
• 재생 공격을 방지하고 통신의 실시간 무결성을 보장하기 위해 동적 상호 인증 메커니즘을 설계한다.
• 실제 환경에서의 계산 및 에너지 효율성을 평가하기 위해 프로토콜을 하드웨어 프로토타입 테스트베드에 구현한다.
• 메인 인터셉트, 재생, 사이드 채널 공격과 같은 일반적인 위협에 대한 저항력을 검증하기 위해 철저한 보안 분석을 수행한다.
• 장기간의 임플란트 운영에 적합한 최소한의 계산 복잡도와 에너지 소비를 확보하기 위해 프로토콜를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 신체적 공격 및 사이드 채널 공격으로부터 기밀 키를 보호할 수 있는가?
• RQ2 POK로 보호된 키를 기반으로 하여 IMD와 외부 프로그래머 간의 상호 신뢰를 확보할 수 있는 경량 인증 기반 기술은 무엇인가?
• RQ3 자원 제약이 심한 IMD에서 최소한의 에너지 및 계산 오버헤드로 강력한 보안을 유지할 수 있는가?
• RQ4 프로토타입 구현은 어떤 정도로 실제 환경 조건에서의 기술의 실현 가능성과 효율성을 입증하는가?
• RQ5 재생 공격 및 위조 공격과 같은 일반적인 무선 공격에 대해 기술의 보안 보장 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 기술은 POKs를 효과적으로 활용하여 기밀 키를 신체적 추출 및 사이드 채널 분석으로부터 보호함을 입증하였다.
• 인증 프로토콜는 최소한의 계산 및 에너지 오버헤드로 동적 상호 인증을 달성하여 장기간의 IMD 사용에 적합함을 확인하였다.
• 보안 분석 결과, 재생 공격, 메인 인터셉트 공격, 위조 공격에 대한 저항력이 확인되었다.
• 프로토타입 구현은 기술의 가벼운 성질을 입증하며, 임플란트 의료 기기에서의 실제 도입 가능성에 대한 타당성을 확인하였다.
• POK의 통합은 복잡한 암호 연산이나 추가 하드웨어 없이도 강력한 키 보호를 가능하게 하였다.