[논문 리뷰] Securing Vehicle to Vehicle Communications using Blockchain through Visible Light and Acoustic Side-Channels

Sean Rowan, Michael Clear외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 09.

Advanced Steganography and Watermarking Techniques참고 문헌 13인용 수 59

한 줄 요약

본 논문은 CMOS 카메라의 시각광 및 초음파 음향 사이드 채널을 블록체인 기반의 공개 키 인프라와 결합해 서로 간의 차량 간 세션 키를 매우 낮은 처리량 요건으로 안전하게 설정하는 방법을 제안한다. 하드웨어 구현, 보안 근거, 그리고 저대역폭 사이드 채널에 맞춘 TLS 유사 핸드셰이크를 제시한다.

ABSTRACT

Autonomous and self-driving vehicles are appearing on the public highways. These vehicles commonly use wireless communication techniques for both vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communications. Manufacturers, regulators and the public are understandably concerned about large-scale systems failure or malicious attack via these wireless vehicular networks. This paper explores the use of sensing and signalling devices that are commonly integrated into modern vehicles for side-channel communication purposes. Visible light (using a CMOS camera) and acoustic (ultrasonic audio) side-channel encoding techniques are proposed, developed and evaluated in this context. The side-channels are examined both theoretically and experimentally and an upper bound on the line code modulation rate that is achievable with these side channel schemes in the vehicular networking context is established. A novel inter-vehicle session key establishment protocol, leveraging both side-channels and a blockchain public key infrastructure, is then presented. In light of the limited channel capacity and the interoperability/security requirements for vehicular communications, techniques for constraining the throughput requirement, providing device independence and validating the location of the intended recipient vehicle, are presented. These reduce the necessary device handshake throughput to 176 bits for creating symmetric encryption and message authentication keys and in verifying a vehicle's certificate with a recognised certification authority.

연구 동기 및 목표

• 자율주행/플래토닝 시나리오에서 RF 간섭 및 장애 속에서도 차량 간 보안 통신의 필요성과 동기를 제시한다.
• CMOS 카메라를 통한 시각광 및 초음파를 이용한 일반 부품 하드웨어 사이드 채널을 신호 전달 수단으로 탐구한다.
• PKI 및 인증서 검증을 위한 블록체인을 활용한 저처리량 세션 키 설정 프로토콜을 개발한다.
• 시각적 식별자와 번호판 데이터를 활용해 통신 차량의 신원을 인증한다.
• 제안된 사이드 채널 접근법의 보안성, 실용성 및 처리량 한계를 평가한다.

제안 방법

• 차량 간 신호 전달을 위해 초음파(2 kbps) 및 CMOS 카메라 시각광(최저 15 bits/s 수준) 사이드 채널을 구현하고 평가한다.
• 각 사이드 채널에 대한 라인 코드 신호 탐지 및 복호 알고리즘을 개발한다(Algorithms 1 및 Algorithm 2).
• 블록체인 기반 공개 키 인프라(Blockstack)를 사용해 공개 키와 인증서를 DHT(Distributed Hash Table)로 저장·검증한다.
• 라이선스판 인식 및 인증서 검사를 통한 인증 보강으로, 사이드 채널을 이용한 새로운 176-bit 대칭 키 교환 핸드셰이크를 차량 간에 제안한다.
• 시각 채널을 시각 특성 phi를 빛 원천 위치 T{phi}로 매핑하는 방식으로 대상 차량에 바인딩해 위치 검증을 가능하게 한다.
• TLS 1.2 핸드셰이크 개념을 채택하되 처리량을 최소화하고 오프라인/온보드 블록체인 데이터를 사용해 중앙 집중형 온라인 자격 증명을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속 RF 지원이 없는 상황에서 가시광 및 초음파 사이드 채널이 안전하고 저처리량의 차량 간 통신을 제공할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기반 PKI와 인증 기관을 사이드 채널과 통합해 차량의 신원을 인증하고 대칭 키를 설정하는 방법은?
• RQ3 현실적인 차량 상황에서 제안된 사이드 채널의 달성 가능한 처리량 한계와 보안 특성은 무엇인가?
• RQ4 번호판 데이터와 CV 기반 비전이 차량 인증을 강화하고 가장/위장 공격을 억제하는 데 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 30 fps CMOS 카메라를 사용한 시각 사이드 채널의 처리량은 15 bits/s까지 낮아질 수 있으며, 초음파는 양방향 약 2 kbps를 제공합니다.
• 제안된 핸드셰이크는 대칭 암호화 및 메시지 인증 키를 설정하는 데 필요한 데이터가 단 176 bits에 불과합니다.
• 블록체인 기반의 분산 해시 테이블(Blockstack)은 오프라인/온라인 키 데이터 분배와 인증 기관의 인증서 검증을 가능하게 한다.
• 시스템은 어느 정도의 실용적 전방 보안을 달성하고 phi to T{phi} 매핑 및 번호판 인식을 통해 수신 차량이 의도된 차량임을 확인한다.
• 초음파 채널의 물리적 방향성 및 시각 채널의 관측 가능성은 도청 및 가장으로부터의 보안 강화에 기여한다.