[논문 리뷰] Shake-n-Shack: Enabling Secure Data Exchange Between Smart Wearables via Handshakes

Yiran Shen, Fengyuan Yang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 23.

User Authentication and Security Systems참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

Shake-n-Shack은 자연스러운 악수 동작을 통해 스마트워치 간에 보안성 있고 경량의 키 교환 프로토콜을 제안한다. 이는 추가 하드웨어나 사용자 간섭 없이 자동으로 데이터 공유를 가능하게 한다. 2초 이내로 99%의 키 생성 성공률를 달성하며, 모조 공격에 대비해 1.6%의 등가 오류 비율(EER)을 기록한다. 이는 일반 소비자용 기기에서 효율적으로 작동한다.

ABSTRACT

Since ancient Greece, handshaking has been commonly practiced between two people as a friendly gesture to express trust and respect, or form a mutual agreement. In this paper, we show that such physical contact can be used to bootstrap secure cyber contact between the smart devices worn by users. The key observation is that during handshaking, although belonged to two different users, the two hands involved in the shaking events are often rigidly connected, and therefore exhibit very similar motion patterns. We propose a novel Shake-n-Shack system, which harvests motion data during user handshaking from the wrist worn smart devices such as smartwatches or fitness bands, and exploits the matching motion patterns to generate symmetric keys on both parties. The generated keys can be then used to establish a secure communication channel for exchanging data between devices. This provides a much more natural and user-friendly alternative for many applications, e.g. exchanging/sharing contact details, friending on social networks, or even making payments, since it doesn't involve extra bespoke hardware, nor require the users to perform pre-defined gestures. We implement the proposed Shake-n-Shack system on off-the-shelf smartwatches, and extensive evaluation shows that it can reliably generate 128-bit symmetric keys just after around 1s of handshaking (with success rate >99%), and is resilient to real-time mimicking attacks: in our experiments the Equal Error Rate (EER) is only 1.6% on average. We also show that the proposed Shake-n-Shack system can be extremely lightweight, and is able to run in-situ on the resource-constrained smartwatches without incurring excessive resource consumption.

연구 동기 및 목표

• 사용자가 자연스럽게 악수를 나누는 동안 서로 다른 사용자가 착용한 스마트워치 간에 보안성 있고 노력이 없는 데이터 교환을 가능하게 하기 위해.
• 악수 중에 손목에 착용된 장치에서 캡처한 운동 신호를 이용해 암호학적으로 강력한 대칭 키를 생성하기 위해.
• 클라우드 인fra구조나 추가 하드웨어에 의존하지 않고도 모조 공격에 대한 내성을 확보하기 위해.
• 자원이 제한된 스마트워치에서 과도한 배터리 소모 없이 현장에서 실행 가능한 가벼운 시스템을 설계하기 위해.

제안 방법

• 악수 중에 두 손목에 착용된 스마트워치의 가속도계에서 동기화된 운동 데이터를 캡처하기 위해.
• 두 장치에서 추출한 운동 패턴을 정렬하여, 서로 엉켜 있는 손의 물리적 강성 덕분에 신호 유사성을 확보하기 위해.
• 공통된 양자화 및 키 정합 기법을 적용하여 양측에서 일치하는 128비트 대칭 키를 생성하기 위해.
• 생성된 대칭 키를 사용해 데이터 교환을 위한 보안성 있는 무선 통신 채널을 수립하기 위해.
• 실제 적용 가능성을 확보하기 위해 일반 소비자용 스마트워치(예: 삼성 갤럭시 워치, 애플 워치)에 시스템을 구현하기 위해.
• 웨어러블 기기에서의 계산 및 에너지 오버헤드를 최소화하기 위해 경량 프로토콜 스택을 구현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 악수 중 두 손에서 유도된 운동 신호를 이용해 별개의 스마트워치에서 암호학적으로 안전한 일치하는 키를 생성할 수 있는가?
• RQ2 환경 잡음과 사용자 특화 운동 변형에 대해 키 생성 과정은 얼마나 견고한가?
• RQ3 악수 패턴을 모의하는 공격자가 존재할 경우, 시스템은 어느 정도의 저항성을 보이는가?
• RQ4 외부 의존 없이 저전력 및 자원이 제한된 스마트워치에서 실시간으로 효율적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 악수 후 약 1초 이내로 128비트 대칭 키를 99% 이상의 성공률로 성공적으로 생성한다.
• 실시간 모조 공격 방지 테스트에서 등가 오류 비율(EER)이 단지 1.6%에 그쳐 강력한 보안성을 보여준다.
• 일반 소비자용 스마트워치에서 현장에서 효율적으로 작동하며, 계산 및 에너지 자원 소비를 최소화한다.
• 악수 중 두 손의 운동 패턴 유사성이 충분히 높아 다양한 사용자 간 신뢰성 있는 키 합의를 가능하게 한다.
• 특히 클라우드 검증이나 전용 하드웨어에 의존하지 않는 점을 고려할 때, 기존 솔루션 대비 사용성, 보안성, 효율성 면에서 뛰어나다.