[论文解读] Secure Lightweight Authentication for Multi User IoT Environment

Chintan Patel|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Advanced Authentication Protocols Security被引用 4

一句话总结

本文提出了一种轻量级、安全的远程认证协议，适用于使用椭圆曲线密码学（ECC）和MQTT协议的多用户物联网环境。通过使用AVISPA和BAN逻辑进行形式化验证，实现了强安全性，同时降低了计算和通信开销——计算成本为4.5003毫秒，通信成本为992比特，相较于现有方案在效率和抵御常见密码学威胁方面表现更优。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is giving a boost to a plethora of new opportunities for the robust and sustainable deployment of cyber physical systems. The cornerstone of any IoT system is the sensing devices. These sensing devices have considerable resource constraints, including insufficient battery capacity, CPU capability, and physical security. Because of such resource constraints, designing lightweight cryptographic protocols is an opportunity. Remote User Authentication ensures that two parties establish a secure and durable session key. This study presents a lightweight and safe authentication strategy for the user-gateway (U GW) IoT network model. The proposed system is designed leveraging Elliptic Curve Cryptography (ECC). We undertake a formal security analysis with both the Automated Validation of Internet Security Protocols (AVISPA) and Burrows Abadi Needham (BAN) logic tools and an information security assessment with the Delev Yao channel. We use publish subscribe based Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol for communication. Additionally, the performance analysis and comparison of security features show that the proposed scheme is resilient to well known cryptographic threats.

研究动机与目标

• 解决在计算和通信开销最小化的前提下，为资源受限的物联网设备在多用户环境中提供安全保障的挑战。
• 设计一种安全、可扩展的用户-网关（U-GW）通信认证机制，适用于物联网系统。
• 确保在实际约束条件下对常见密码学攻击（如重放攻击、伪装攻击和密钥泄露）具备抗性。
• 在计算成本、通信成本、端到端延迟、丢包率和吞吐量等方面优化性能。
• 通过轻量级硬件（如树莓派）和标准协议（如MQTT）实现实际部署。

提出的方法

• 利用椭圆曲线密码学（ECC）实现高效密钥生成和安全认证，相比传统公钥系统显著降低计算负载。
• 采用基于发布/订阅模式的MQTT消息队列遥测传输协议，实现在用户与网关之间轻量级、低带宽的通信。
• 通过包含用户身份、随机数、时间戳和基于ECC的公钥操作的两阶段认证交互，建立共享会话密钥。
• 应用形式化安全分析，使用AVISPA和BAN逻辑验证相互认证和密钥保密性。
• 通过Dolev-Yao模型进行非形式化安全评估，以检验在符号威胁模型下对威胁的抵抗能力。
• 在树莓派和nodeMCU设备上使用Python实现该协议，并利用Wireshark和自定义脚本收集性能和网络指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种轻量级认证协议，在满足物联网传感设备严格资源约束的同时，确保强安全保证？
• RQ2 所提出的方案在多大程度上能够抵御已知的密码学攻击，如重放攻击、伪装攻击和密钥泄露？
• RQ3 与现有相关方案相比，所提出的方案在性能方面（特别是计算成本、通信成本、端到端延迟和吞吐量）表现如何？
• RQ4 形式化验证工具（如AVISPA和BAN逻辑）是否能有效验证该协议在物联网环境下的安全属性？
• RQ5 当在低功耗物联网设备上使用MQTT作为通信层实现时，该协议的实际性能表现如何？

主要发现

• 所提出的方案总计算成本约为4.5003毫秒，显著低于现有方案，如[31]（8.9339毫秒）和[12]（13.4078毫秒）。
• 通信成本降低至每会话992比特，低于[12]、[28]、[29]、[30]和[31]中的方案，展现出更优的带宽效率。
• 通过在真实物联网硬件上使用Wireshark和基于Python的网络分析，验证了该协议可降低往返延迟和丢包率，同时提高吞吐量。
• 使用AVISPA和BAN逻辑进行的形式化验证确认了该协议对常见威胁（如重放和伪装攻击）具备抵抗力。
• 在树莓派和nodeMCU上的实现证实了该方案在低资源物联网设备上部署的可行性，且性能下降极小。
• 采用基于ECC的操作（2 $T_{Pm}$, 5 $T_{Syn}$, 11 $T_{h}$）在实现强安全性的同时保持极低计算开销，适用于电池供电和嵌入式物联网系统。