[论文解读] Hash-MAC-DSDV: Mutual Authentication for Intelligent IoT-Based Cyber-Physical Systems

Muhammad Adil, Mian Ahmad Jan+5 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Advanced Authentication Protocols Security被引用 4

一句话总结

本文提出了一种轻量级、去中心化的互认证方案——Hash-MAC-DSDV，用于基于DSDV路由的物联网网络物理系统（IoT-CPS），通过MAC地址哈希与类似区块链的本地/公共链实现。该方案通过在分层链中注册MAC地址并使用单向哈希验证，实现安全、节能的设备间认证，在峰值负载下仅造成7%的分组丢失率，同时将能耗降低11%。

ABSTRACT

Cyber-Physical Systems (CPS) connected in the form of Internet of Things (IoT) are vulnerable to various security threats, due to the infrastructure-less deployment of IoT devices. Device-to-Device (D2D) authentication of these networks ensures the integrity, authenticity, and confidentiality of information in the deployed area. The literature suggests different approaches to address security issues in CPS technologies. However, they are mostly based on centralized techniques or specific system deployments with higher cost of computation and communication. It is therefore necessary to develop an effective scheme that can resolve the security problems in CPS technologies of IoT devices. In this paper, a lightweight Hash-MAC-DSDV (Hash Media Access Control Destination Sequence Distance Vector) routing scheme is proposed to resolve authentication issues in CPS technologies, connected in the form of IoT networks. For this purpose, a CPS of IoT devices (multi-WSNs) is developed from the local-chain and public chain, respectively. The proposed scheme ensures D2D authentication by the Hash-MAC-DSDV mutual scheme, where the MAC addresses of individual devices are registered in the first phase and advertised in the network in the second phase. The proposed scheme allows legitimate devices to modify their routing table and unicast the one-way hash authentication mechanism to transfer their captured data from source towards the destination. Our evaluation results demonstrate that Hash- MAC-DSDV outweighs the existing schemes in terms of attack detection, energy consumption and communication metrics.

研究动机与目标

• 解决由于无基础设施部署及依赖集中式认证而导致的物联网-CPS系统面临的安全威胁问题。
• 克服集中式设备间（D2D）认证的局限性，如单点故障和高通信开销。
• 设计一种适用于物联网-CPS中多WSN环境的去中心化、轻量级互认证机制。
• 通过优化路由与认证机制，降低动态、分布式物联网网络中的能耗并提升网络可靠性。
• 利用混合本地与公共链架构结合哈希验证，确保设备通信的安全性、一致性和高效性。

提出的方法

• 提出一种改进的DSDV路由协议，通过单向哈希函数增强互认证功能。
• 实现两级链式架构：在簇头部署本地链，在基站部署公共链以注册MAC地址。
• 将合法设备的MAC地址注册至簇头（本地链），并传播至基站（公共链）以实现全局验证。
• 使用MD5哈希算法对MAC地址进行加密处理，以在公共链中安全广播，防止伪造攻击。
• 通过单播通信与单向哈希认证机制，在数据传输过程中验证设备合法性。
• 基于已认证的本地链与公共链信息更新路由表，确保安全高效的分组转发。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无中心服务器依赖的去中心化物联网-CPS网络中，如何实现互认证？
• RQ2 与标准DSDV协议相比，所提出的Hash-MAC-DSDV方案在多WSN环境中能将能耗降低多少？
• RQ3 在高网络负载和恶意活动条件下，该方案在分组丢失率和延迟方面的表现如何？
• RQ4 本地链与公共链的集成能否提升分布式物联网-CPS中设备认证的可扩展性与可靠性？
• RQ5 在实时无线网络中，基于哈希的MAC验证对攻击检测与通信开销有何影响？

主要发现

• 在基于仿真的网络运行中，Hash-MAC-DSDV方案相比标准DSDV协议将能耗降低了11%。
• 即使在峰值网络流量和恶意流量条件下，该方案的分组丢失率也仅为7%。
• 由于合法节点具有独特的通信模式，消息交换过程中的延迟保持稳定，即使存在恶意设备。
• 由于使用了经认证的MAC地址与单向哈希验证，攻击检测率显著提升。
• 通过单播传输与基于已认证链数据的高效路由表更新，通信开销得以降低。
• 在安全性、能耗效率与可靠性指标方面，该方案优于现有的集中式与分布式认证方法。