[论文解读] SAFE^d: Self-Attestation For Networks of Heterogeneous Embedded Devices

Alessandro Visintin, Flavio Toffalini+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2019

Advanced Malware Detection Techniques参考文献 44被引用 6

一句话总结

SAFE^d 提出了一种用于异构物联网网络的去中心化远程认证方案，通过使用安全的DHT覆盖网络在设备间分发完整性证明，消除了对中心验证者的依赖。该方案在故障或攻击下实现了99.9%的证明恢复率，且内存和通信开销呈对数级增长，从而在资源受限环境中实现了自我验证与自我修复能力。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is an emerging paradigm that allows to set large networks of small and independent devices. To ensure their integrity, practitioners employ so-called Remote Attestation (RA) schemes. Classic RA schemes require a central and powerful entity, called Verifier, that has mainly two duties: (i) it manages the entire process of attestation, and (ii) it contains all the proofs for validating the devices' integrity. However, having a central Verifier makes the network dependent upon an external entity and introduces a single point of failure for security. In this work, we propose SAFE^d: the first RA schema that allows a pair of IoT devices to validate their integrity without relying on an external Verifier. Our approach overcomes previous limitations by spreading the proofs among multiple IoT devices and using novel cryptographic mechanisms to ensure secure communications. Moreover, the entire IoT network can collaboratively isolate tampered devices and recover missing proofs in case of anomalies. We evaluate our schema through an implementation for Raspberry Pi platform and a network simulation. The results show that SAFE^d can detect infected devices and recover up to 99.9% of proofs in case of faults or attacks. Moreover, we managed to protect up to 10K devices with a logarithmic overhead on the network and on the devices' memory.

研究动机与目标

• 解决传统物联网远程认证中对中心验证者存在的单点故障和信任依赖问题。
• 在无需外部协调的情况下，实现异构、资源受限嵌入式设备间的完整性验证。
• 通过分布式证明存储与恢复机制，确保在设备被攻破、网络故障或证明丢失情况下的韧性。
• 设计轻量级、可扩展的密码原原子，兼容受限设备与可信执行环境。
• 通过在树莓派3上实现及大规模仿真，验证方案的可行性与性能表现。

提出的方法

• 通过基于DHT的架构（特别是Chord）将远程认证去中心化，将证明存储在物联网设备之间，实现可扩展的数据查找。
• 提出一种基于Diffie-Hellman的新型密钥交换协议，集成于DHT中，实现无需预共享密钥的安全点对点通信。
• 使用多个独立随机化的DHT覆盖网络（覆盖层）在不同设备间复制证明，防止攻击者推断证明位置。
• 利用可信锚点（如ARM TrustZone）安全存储并执行关键的远程认证算法与密码运算。
• 通过通信超时和随机数机制实现无需心跳的检测机制，用于检测网络断连及潜在的物理攻击。
• 通过冗余覆盖网络与后继列表验证机制，使设备能够协作检测并恢复丢失或损坏的证明，实现自我修复。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖中心强大验证者的情况下，安全地在物联网网络中执行远程认证？
• RQ2 如何在异构、资源受限的设备之间分布并保护完整性证明？
• RQ3 在去中心化的物联网环境中，哪些机制可确保对设备被攻破、网络故障及证明丢失的韧性？
• RQ4 如何在动态、去中心化的物联网网络中，以最小开销建立安全的点对点通信？
• RQ5 在攻击或设备故障存在的情况下，证明恢复的实现程度如何？

主要发现

• SAFE^d 成功消除了传统远程认证中因依赖中心验证者而产生的单点故障问题。
• 该方案在故障或攻击发生时，仅通过三个DHT覆盖层即可实现高达99.9%的丢失或损坏证明恢复率。
• 内存与通信开销随设备数量呈对数级增长，可高效支持多达10,000台设备。
• 在树莓派3上的实现表明，该方案在真实世界ARM TrustZone支持的硬件上具备可行性，性能开销可控。
• 使用多个随机化DHT覆盖层显著增加了攻击者定位或破坏所有证明副本的难度。
• 通过基于超时的机制与后继列表验证，协议能够检测网络断连及潜在的物理攻击，从而增强系统韧性。