[论文解读] SecureTime: Secure Multicast Time Synchronization

Robert Annessi, Joachim Fabini+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Advanced Authentication Protocols Security参考文献 16被引用 6

一句话总结

本文提出 SecureTime，一种安全的多播时间同步协议，利用高性能数字签名（Ed25519 和 MQQ-SIG）在 NTP 和 PTP 中提供数据来源认证。该协议以最小的同步精度损失抵御重放攻击和延迟攻击，实现强安全性，且在 1 步模式和 2 步模式下均不降低效率。

ABSTRACT

Due to the increasing dependency of critical infrastructure on synchronized clocks, network time synchronization protocols have become an attractive target for attackers. We identify data origin authentication as the key security objective and suggest to employ recently proposed high-performance digital signature schemes (Ed25519 and MQQ-SIG)) as foundation of a novel set of security measures to secure multicast time synchronization. We conduct experiments to verify the computational and communication efficiency for using these signatures in the standard time synchronization protocols NTP and PTP. We propose additional security measures to prevent replay attacks and to mitigate delay attacks. Our proposed solutions cover 1-step mode for NTP and PTP and we extend our security measures specifically to 2-step mode (PTP) and show that they have no impact on time synchronization's precision.

研究动机与目标

• 解决针对关键基础设施中网络时间同步日益增长的网络攻击威胁。
• 将数据来源认证确定为时间同步协议中的首要安全需求。
• 设计一种安全且高效的多播时间同步解决方案，采用现代数字签名方案。
• 确保安全机制不会降低 NTP 和 PTP 协议的同步精度。

提出的方法

• 采用 Ed25519 和 MQQ-SIG 数字签名方案，对多播环境中的时间消息进行认证。
• 将基于签名的认证机制集成到 NTP 和 PTP 协议的 1 步模式和 2 步模式中。
• 引入消息序列计数器和基于时间戳的重放保护机制，防止重放攻击。
• 通过同步时间戳验证和消息新鲜度检查，减轻延迟攻击的影响。
• 设计安全机制，以保持 NTP 和 PTP 原始的时间精度。
• 在标准硬件上开展实验，评估计算和通信开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多播时间同步协议中高效实现数据来源认证？
• RQ2 将高性能数字签名集成到 NTP 和 PTP 中的性能影响如何？
• RQ3 能否在不降低同步精度的前提下有效缓解重放和延迟攻击？
• RQ4 所提出的防护措施在不同网络条件和部署场景下的可扩展性如何？
• RQ5 在多播时间同步中，安全、性能与精度之间的权衡关系是什么？

主要发现

• 使用 Ed25519 和 MQQ-SIG 签名在 NTP 和 PTP 中引入了可忽略不计的计算和通信开销。
• 针对重放和延迟攻击所提出的防护措施并未降低同步协议的时间精度。
• SecureTime 在 PTP 的 1 步模式和 2 步模式下均成功运行，且未观察到性能损失。
• 实验结果证实，安全机制高效且适用于实时、关键基础设施应用场景。
• 通过现代密码学方案，将数字签名集成到时间同步协议中是可行且实用的。
• 该方案在保持高安全保证的同时，保留了精确时间同步所必需的低抖动特性。