[논문]Blockchain-based Lightweight Mutual Authentication Protocol for IoT Systems

Choi, Wonseok; Kim, Sungsoo; Han, Kijun

doi:10.9708/jksci.2020.25.01.087

[국내논문] Blockchain-based Lightweight Mutual Authentication Protocol for IoT Systems 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.25 no.1, 2020년, pp.87 - 92

Choi, Wonseok (School of Computer Science and Engineering, Kyungpook National University) , Kim, Sungsoo (Department of Aeronautical Software Engineering, Kyungwoon University) , Han, Kijun (School of Computer Science and Engineering, Kyungpook National University)

초록
AI-Helper

IoT 네트워크 환경에서는 서버 등의 고성능 장치부터 각종 센서, 수동형 RFID 등 저사양 장치까지 다수의 여러 장치들이 연결되어 있다. 그렇기에 불법적인 공격에 노출되어 있으며 데이터를 암호화하여 통신을 수행하여야 한다. 암호화 알고리즘으로 대칭키, 공개키 암호화 및 해시 기법 등을 사용할 수 있으나 저성능 IoT 디바이스는 암호화 프로세스를 처리하기에는 적합하지 않는 하드웨어 성능을 가지고 있어 이러한 방법을 채택할 수 없는 경우가 발생한다. 본 논문에서는 블록체인 시스템과 연동한 경량 상호 인증 프로토콜을 적용하여 IoT 환경에서 저성능 단말장치의 안전한 통신을 보장하는 인증 기법을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various devices, which are powerful computer and low-performance sensors, is connected to IoT network. Accordingly, applying mutual authentication for devices and data encryption method are essential since illegal attacks are existing on the network. But cryptographic methods such as symmetric key and public key algorithms, hash function are not appropriate to low-performance devices. Therefore, this paper proposes blockchain-based lightweight IoT mutual authentication protocol for the low-performance devices.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. "Sensor Node-Cluster Head" Authentication Process
표 Table 1. Notations
그림 Fig. 2. "Cluster Head-Gateway" Authentication Process
표 Table 2. Security Comparision (O: Safe, X: Unsafe)
표 Table 3. Performance Analysis

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는, 저성능 단말 장치에서 동작 가능한 블록체인 기반의 경량 상호 인증 프로토콜을 제안한다. Sensor Node에서는 난수를 이용하여 상호 인증을 수행 하고 Cluster Head에서 Sensor Node들의 ID를 그룹화 시켜 Gateway 상의 블록체인에 저장되어 있는 Sensor Node ID와 비교하여 인증함으로써, 저성능 단말 장치 대상으로 블록체인 기반 상호 인증을 가능케 하였다.
IoT 네트워크 상의 다양한 장치들이 연결되는 특성상 기 기 인증 및 데이터 암호화는 필수적이다. 이에 본 논문에서 는 IoT 네트워크 상의 저성능 Sensor node 인증 작업 수행 시 Cluster Head가 경량 상호 인증이 완료된 Sensor node ID들을 그룹화하여 블록체인에 등록 및 검증하는 방법으로써 저성능 IoT 기기의 인증기법을 제안하였다.

제안 방법

본 논문에서는, 저성능 단말 장치에서 동작 가능한 블록체인 기반의 경량 상호 인증 프로토콜을 제안한다. Sensor Node에서는 난수를 이용하여 상호 인증을 수행 하고 Cluster Head에서 Sensor Node들의 ID를 그룹화 시켜 Gateway 상의 블록체인에 저장되어 있는 Sensor Node ID와 비교하여 인증함으로써, 저성능 단말 장치 대상으로 블록체인 기반 상호 인증을 가능케 하였다.
본 논문에서 제안하는 프로토콜은 Registration phase 와 Authentication phase로 구분된다. Registration phase에서는 Sensor node들의 각 ID가 Gateway 상의 블록체인에 등록되고 Authentication phase에서는 Sensor node, Cluster head, Gateway 간의 인증 프로세스가 진행된다.
Gateway는 수신 받은 IDSET을 블록체인 시스템에 저장한다. 제안하는 IoT 시스템에서 다수의 Gateway 상에 구성된 블록체인 네트워크는 합의 알고리즘을 이용하여 인증 데이터의 무결성을 확보한다.

데이터처리

본 논문에서 제안한 프로토콜의 안전성과 성능을 기존 연구와 비교 분석한다. Table 2에서는 도청공격, 중간자 공격, 재전송 공격, 위치 추적, 상호인증, 부인 방지에 대하여 제안 기법과 기존 연구들을 비교한 결과이며 제안 프로토콜은 기 술된 6가지 공격에 대하여 안전함을 확인할 수 있다.

성능/효과

PKI(Public Key Infrastructure) 구성과 다르게 별도의 인증 기관 없이 Gateway 상에 블록체인 플랫폼을 구성하여 IoT 인증 기능을 수행함으로써 IoT 인증 시스템의 탈 중앙화, 인증 데이터의 무결성을 확보할 수 있다. 또한, 안 전성 분석 내용을 살펴보면 Sensor node에서는 경량 연산만을 이용하여 인증 기능을 수행하기에 저성능 기기적 용에 적합함을 확인할 수 있다. 추가적인 연구로써 Sensor node ID 등록 및 검증 트랜잭션에 대한 블록체인 성능 시험 및 평가 연구를 진행할 계획이다.

후속연구

5G 무선 통신 서비스가 시작되었으며 현재는 서비스 영역이 한정적이지만 점차 그 서비스 가능 영역이 확산되고 있다. 이와 같은 대용량의 빠른 무선 통신이 가능한 네트워크가 구축됨으로써 해당 네트워크에서 운용될 서비스들도 함께 발전할 것인데 민간 및 산업 분야에서 활용되고 있는 IoT 기술과 서비스는 더욱 다양한 분야에 적용되고 발전할 것으로 예상된다. IoT 네트워크에서는 수동형 RFID 태그, 온도나 진동 등을 모니터링할 수 있는 센서류 등 수 많은 다양한 저성능 단말 장치들이 연결되는데 장치의 하드웨어 성능 제한에 의하여 데이터의 암호 처리 프로 세스 처리에 부적합하여 불법적인 외부 공격에 노출되어 있다.
또한, 안 전성 분석 내용을 살펴보면 Sensor node에서는 경량 연산만을 이용하여 인증 기능을 수행하기에 저성능 기기적 용에 적합함을 확인할 수 있다. 추가적인 연구로써 Sensor node ID 등록 및 검증 트랜잭션에 대한 블록체인 성능 시험 및 평가 연구를 진행할 계획이다.

참고문헌 (18)

M. T. Hammi, B. Hammi, P. Bellot, and A. Serhrouchni, "Bubbles of Trust: A decentralized blockchain-based authentication system for IoT," Computers & Security, Vol. 78, Sep. 2018.

상세보기
S. Nakamoto, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System," www.bitcoin.org, 2008.
B. Park, T. Lee, and J. Kwak, "Blockchain-Based IoT Device Authentication Scheme," Journal of The Korea Institute of Information of Information Security & Cryptology, Vol. 27, No. 2, Apr. 2017.
P. Porambage, C. Schmitt, P. Kumar, A. Gurtov, and M. Ylianttila, "PAuthKey: A Pervasive Authentication Protocol and Key Establishment Scheme for Wireless Sensor Networks in Distributed IoT Applications," International Journal of Distributed Sensor Networks, Vol. 14, 2014.
A. Moinet, B. Darties, and J. L. Baril, "Blockchain based trust & authentication for decentralized sensor networks," arXiv preprint arXiv:1706.01730, 2017.
D. Kim, and J. Kwak, "Design of Improved Authentication Protocol for Sensor Networks in IoT Environment," Journal of The Korea Institute of Information Security & Cryptology, Vol. 25, No. 2, Apr. 2015.
W. Choi, S. Kim, Y. Kim, Y. Park, and K. Ahn, "PUF-based encryption processor for the RFID systems," 2010 IEEE 10th International Conference on Computer and Information Technology, pp. 2323-2328, United Kingdom, Jun.-Jul. 2010.
J. Park, S. Shin, and N. Kang, "Mutual Authentication and Key Agreement Scheme between Lightweight Devices in Internet of Things," The Journal of Korean of Communications and Information Sciences, Vol. 38B, No. 09, 2013.
L. Batina, N. Mentens, K. Sakiyama, B. Preneel, and I. Verbauwhede, "Low-Cost Elliptic Curve Cryptography for Wireless Sensor Networks," Proceedings of Third European Workshop on Security and Privacy in Ad hoc and Sensor Networks, 2006.
A. A. Omar, M. S. Rahman, A. Basu, and S. Kiyomoto, "MediBchain: A Blockchain Based Privacy Preserving Platform for Healthcare Data," International Conference on Security, Privacy and Anonymity in Computation, Communication and Storage, Springer, 2018.
D. Duc, and K. Kim, "Defending RFID authentication protocols and against DoS attacks," Computer Communications, Journal of Computer Communications, 2011.
W. Choi, S. Kim, Y. Kim, T. Yun, K. Ahn, and K. Han, "Design of PUF-based Encryption Processor and Mutual Authentication Protocol for Low-Cost RFID Authentication," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 39B, No. 12, Dec. 2014.
M. Stamp, Information Security Textbook(Principles and Practice) 1st Ed., NY: John Willey & Sons Inc., 2005.
P. Gope, J. Lee, and T. Quek, "Lightweight and Practical Anonymous Authentication Protocol for RFID Systems Using Physically Unclonable Functions," IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION FORENSICS AND SECURITY, Vol. 13, No. 11, Nov. 2018.

상세보기
J. Lee, "BIDaas: Blockchain Based ID As a Service," IEEE Access, Vol. 6, 2018.

상세보기
E. Buchman, "Tendermint: Byzantine fault tolerance in the age of blockchains," M.Sc. Thesis, University of Guelph, Canada, June 2016.
V. Buterin, "A next-generation smart contract and decentralized application platform," White paper, 2014.
C. Shannon, "Communication theory of secrecy systems," Bell System Technical Journal, 1949.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증