[論文レビュー] A Novel Approach for Secure Data Aggregation in Wireless Sensor Networks

Vivaksha Jariwala, Devesh C. Jinwala|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2012

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、同型暗号と加法的デジタル署名を用いて、機密性、完全性、可用性を確保する、ワイヤレスセンサネットワーク（WSNs）のための新しいセキュアなデータ集約方式を提案する。ネットワーク内での集約を可能にすることで、リソース制限下でも改ざんや盗聴の脅威からデータを保護しつつ、通信オーバーヘッドを低減する。

ABSTRACT

The Wireless Sensor Networks (WSNs) are composed of resource starved sensor nodes that are deployed to sense, process and communicate vital information to the base station. Due to the stringent constraints on the resources in the sensor nodes on one hand and due to the communications costs being always significantly higher than the data processing costs, the WSNs typically, employ in-network processing, which aims at reducing effectively, the total number of packets eventually transmitted to the base station. Such innetwork processing largely employs data aggregation operations that aggregate the data into a compact representation for further transmission. However, due to the ubiquitous & pervasive deployment, heavier resource demands of the security protocols and due to the stringent resource constraints in WSN nodes, the security concerns in WSNs are even otherwise critical. These concerns assume alarming proportions when using data aggregation in which the output of the data aggregator nodes depends on that of various other nodes. Hence, the protocols for data aggregation have to carefully devised with a constant vigil on ensuring security of the data. In this paper, based on our survey of the existing research efforts for ensuring secure data aggregation, we propose a novel approach using homomorphic encryption and additive digital signatures to achieve confidentiality, integrity and availability for secure data aggregation in wireless sensor networks.

研究の動機と目的

• データ集約が攻撃に対する脆弱性を高めるワイヤレスセンサネットワークにおける重要なセキュリティ課題に対処すること。
• ネットワーク内でのデータ集約を通じて通信オーバーヘッドを低減しつつ、強固なセキュリティ保証を維持すること。
• リソース制限のあるセンサノードにおいて、データの機密性、完全性、可用性を確保すること。
• 実世界のWSNsへの展開に適した、軽量かつ堅牢なプロトコルを設計すること。
• 既存の方式がセキュリティを欠いているか、高い計算コストを伴うという限界を克服すること。

提案手法

• 同型暗号を用いることで、個々の測定値を復号せずにセンサデータの安全な集約を可能にする。
• 加法的デジタル署名を用いて集約データを認証し、個々のノードからの貢献の正当性を検証可能にする。
• 集約処理は中間のクラスターヘッドで実行され、ベースステーションへのパケット送信数を削減する。
• 同型性の性質により、ベースステーションは生のセンサデータにアクセスせずに、集約結果の正しさを検証可能である。
• 正当なノードのみが集約に参加できることを保証し、なりすましや再送撃ちの攻撃を防止する。
• 低消費電力デバイスに適した暗号化と署名方式の組み合わせにより、セキュリティを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リソース制限のあるWSNsにおいて、ネットワーク内集約の過程でデータの機密性をどのように維持できるか？
• RQ2 集約データにおける悪意あるまたは故障したセンサ読み取り値を検出するためのメカニズムは何か？
• RQ3 最小限の計算および通信オーバーヘッドでセキュアな集約プロトコルを設計できるか？
• RQ4 個々のセンサ読み取り値を露呈せずに、集約データの真正性をどのように検証できるか？
• RQ5 セキュアなデータ集約における、セキュリティ、効率性、スケーラビリティの間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 提案手法は、現実的なWSN制約下でも、機密性、完全性、可用性を含む強固なセキュリティ保証を達成する。
• 同型暗号により、中間ノードが個々のセンサデータを露呈せずに安全な集約が可能になる。
• 加法的デジタル署名により、集約結果の効率的検証と悪意ある貢献の検出が可能になる。
• ベースステーションへの送信パケット数を最小限に抑えることで、通信オーバーヘッドを低減する。
• 計算効率が高く、低消費電力センサノードへの展開に適している。
• 評価環境において、既存の手法に比べてセキュリティカバレッジとリソース効率の両面で優れていることが示された。