[论文解读] BANZKP: a Secure Authentication Scheme Using Zero Knowledge Proof for WBANs

Nesrine Khernane, Maria Potop-Butucaru+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Wireless Body Area Networks参考文献 29被引用 29

一句话总结

BANZKP 提出了一种轻量级、节能的无线体域网（WBANs）认证方案，利用零知识证明（ZKP）和承诺机制确保节点身份，同时将计算和内存开销降至最低。与当前领先的基于 ZKP 的 WBANs 方案 TinyZKP 相比，该方案将内存使用量减少了 56.13%，能耗降低了 10%。

ABSTRACT

-Wireless body area network(WBAN) has shown great potential in improving healthcare quality not only for patients but also for medical staff. However, security and privacy are still an important issue in WBANs especially in multi-hop architectures. In this paper, we propose and present the design and the evaluation of a secure lightweight and energy efficient authentication scheme BANZKP based on an efficient cryptographic protocol, Zero Knowledge Proof (ZKP) and a commitment scheme. ZKP is used to confirm the identify of the sensor nodes, with small computational requirement, which is favorable for body sensors given their limited resources, while the commitment scheme is used to deal with replay attacks and hence the injection attacks by committing a message and revealing the key later. Our scheme reduces the memory requirement by 56.13 % compared to TinyZKP [13], the comparable alternative so far for Body Area Networks, and uses 10 % less energy.

研究动机与目标

• 解决由于资源受限和无线漏洞导致的多跳 WBANs 中的关键安全与隐私挑战。
• 克服现有方案（如 TinySec、MiniSec 和 TinyPK）在内存使用量高、密钥管理复杂或计算成本高方面的局限性。
• 设计一种轻量级认证协议，确保对重放和注入攻击具备强安全性，同时最大限度降低能耗和内存消耗。
• 实现在资源受限的 WBAN 环境中，体感器与汇聚节点之间安全、可扩展且高效的相互认证。

提出的方法

• 利用零知识证明（ZKP）实现传感器节点的认证，而无需暴露秘密信息，从而降低计算开销。
• 采用承诺机制将消息与密钥绑定，通过延迟密钥披露实现对重放和注入攻击的防护。
• 预先分发加密密钥，避免动态生成密钥，将运行时计算成本降至零。
• 使用四条消息交换协议进行身份验证，依赖轻量级操作而非复杂的公钥密码学。
• 将该方案作为插件集成到 MiXiM/OMNeT++ 仿真框架中的汇聚广播路由协议中，以实现真实环境下的评估。
• 通过最小化消息大小并避免存储大数或证书，优化通信成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在资源受限的 WBANs 中设计一种安全的相互认证协议，以实现最低的能耗和内存使用？
• RQ2 ZKP 与承诺机制在多大程度上可以结合使用，以在 WBANs 中提供对重放和注入攻击的强安全性？
• RQ3 所提出的 BANZKP 方案在效率和安全性方面与现有方案（如 TinyZKP）相比如何，特别是在内存和能耗消耗方面？
• RQ4 在 WBAN 环境中，预分发密钥与承诺机制的结合是否能比动态密钥生成实现更好的性能？
• RQ5 使用轻量级密码操作对 WBAN 认证协议的整体安全性与可扩展性有何影响？

主要发现

• 与 TinyZKP 相比，BANZKP 将内存使用量减少了 56.13%，主要原因是避免了存储多个公钥和私钥，以及消除了 ECDSA/SHA-1 的开销。
• 由于消除了昂贵的模乘法运算和 ECDSA 操作，该方案的能耗比 TinyZKP 降低了 10%。
• BANZKP 的通信成本为每次认证 1000 位，显著低于 TinyZKP 的 1710 位，有助于降低能耗。
• 计算成本实际上为零，因为密钥已预先分发，避免了动态生成和验证密钥的开销。
• 通过使用承诺机制实现消息与密钥的绑定并延迟密钥披露，BANZKP 有效抵御了重放和注入攻击。
• 该协议仅通过四条消息交换即可实现安全的相互认证，确保在多跳 WBANs 中低延迟和高效运行。