[论文解读] Authentication Protocols for Internet of Things: A Comprehensive Survey

Mohamed Amine Ferrag, Λέανδρος Μαγλαράς+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Advanced Authentication Protocols Security参考文献 220被引用 9

一句话总结

本文全面综述了物联网（IoT）在四个关键领域——机器对机器（M2M）、车联网（IoV）、能源互联网（IoE）和传感器互联网（IoS）——中超过40种身份认证协议。评估了协议在安全性、计算复杂度和通信开销方面的表现，识别了开放性问题，并提出了形式化验证、轻量级密码学以及混合生物识别系统等未来研究方向。

ABSTRACT

In this paper, we present a comprehensive survey of authentication protocols for Internet of Things (IoT). Specifically, we select and in-detail examine more than forty authentication protocols developed for or applied in the context of the IoT under four environments, including: (1) Machine to machine communications (M2M), (2) Internet of Vehicles (IoV), (3) Internet of Energy (IoE), and (4) Internet of Sensors (IoS). We start by reviewing all survey articles published in the recent years that focusing on different aspects of the IoT idea. Then, we review threat models, countermeasures, and formal security verification techniques used in authentication protocols for the IoT. In addition, we provide a taxonomy and comparison of authentication protocols for the IoT in form of tables in five terms, namely, network model, goals, main processes, computation complexity, and communication overhead. Based on the current survey, we identify open issues and suggest hints for future research.

研究动机与目标

• 系统性地回顾并分析物联网（IoT）在四个主要应用领域中的身份认证协议最新进展。
• 识别并评估现有物联网身份认证协议中使用的威胁模型、对策以及形式化验证技术。
• 基于五个关键标准（网络模型、目标、主要流程、计算复杂度和通信开销），对40多种身份认证协议进行详细、并列的对比分析。
• 突出M2M、IoV、IoE和IoS环境中身份认证的开放性研究问题与挑战。
• 通过提出隐私保护方案、高效入侵检测系统以及生物识别与模式识别技术集成等方向，为未来研究提供指导。

提出的方法

• 利用SCOPUS和Web of Science开展系统性文献综述，识别出70多篇综述文章及40多个2005至2016年间发表的原始身份认证协议。
• 根据网络模型、安全目标、协议流程和性能指标，对M2M、IoV、IoE和IoS四种物联网环境中的身份认证协议进行分类与分析。
• 针对35种已知攻击（重点为中间人攻击、伪装攻击、重放攻击和伪造攻击）评估协议安全性，并审查其应对措施。
• 调研并对比形式化安全验证技术，包括符号模型与计算模型，以评估协议的鲁棒性。
• 提出一个基于五个维度（网络模型、目标、主要流程、计算复杂度和通信开销）的结构化分类体系，并以表格形式对比协议。
• 识别当前研究中的空白，特别是在能效、轻量级密码学以及生物识别与模式识别方法集成方面的不足。

实验结果

研究问题

• RQ1 在M2M、IoV、IoE和IoS环境中，主流的身份认证协议有哪些？它们在设计与性能上存在哪些差异？
• RQ2 现有物联网身份认证协议最常应对哪些安全威胁？采用了哪些对策？
• RQ3 当前协议如何在资源受限的物联网设备中平衡安全性与计算及通信开销？
• RQ4 物联网身份认证协议中使用了哪些形式化验证技术？其在确保协议正确性方面的有效性如何？
• RQ5 在四个应用领域中，提升物联网系统身份认证的关键开放性研究挑战与未来研究方向是什么？

主要发现

• 共识别并分析了40多个身份认证协议，其在设计、安全目标和性能权衡方面在四个物联网领域中存在显著差异。
• 最常被针对的攻击为中间人攻击、伪装攻击、重放攻击和伪造攻击，不同协议在应对这些攻击时的弹性程度不一。
• 计算复杂度和通信开销仍是关键瓶颈，尤其在IoS和M2M等资源受限环境中更为突出。
• 仅少数协议使用了形式化安全验证技术，表明在协议严谨验证方面仍存在明显缺口。
• 开放性问题包括缺乏高效的入侵检测系统（IDS）集成、传感器网络中能效不足，以及对隐私保护和基于生物识别的身份认证支持有限。
• 未来研究应聚焦于结合知识、凭证和生物特征因素的混合协议，以及开发针对物联网特定威胁模型的专用形式化验证框架。