Sử dụng giao thức trao đổi khóa hạng nhẹ trong IoT

17:00 | 31/01/2020 | GP MẬT MÃ

Các giao thức mật mã khóa công khai thường có độ phức tạp tính toán cao, nhưng mang lại tính an toàn đối với các thiết bị. Tuy nhiên, đối với các thiết bị mật mã hạn chế tài nguyên, việc sử dụng các giao thức mật mã khóa công khai, đặc biệt là giao thức trao đổi khóa là một thách thức không nhỏ do bị giới hạn về tính toán. Do đó, để có thể cài đặt trên những môi trường hạn chế tài nguyên, các giao thức trao đổi khóa phải được sửa đổi phù hợp.

Internet of Things (IoT) là một xu hướng công nghệ đang phát triển mạnh mẽ. Các thiết bị IoT thường có tài nguyên hạn chế nhưng cũng cần các yêu cầu bảo mật cao giống như các thiết bị khác. Do đó, trong bài báo này sẽ giới thiệu về ứng dụng giao thức trao đổi khóa hạng nhẹ trong IoT.

Giới thiệu giao thức trao đổi khóa hạng nhẹ dành cho IoT

Các thiết bị trong môi trường IoT thường có hạn chế về năng lượng (do sử dụng pin), khả năng xử lý và có bộ nhớ thấp (thường từ vài KB RAM đến hàng chục KB EEPROM). Do đó, giao thức trao đổi khóa cần sử dụng các cơ chế hạng nhẹ bao gồm: khóa mật mã đối xứng và sơ đồ dẫn xuất khóa dựa trên hàm băm (Hash key derivation function - HKDF)

Trong [1] đề xuất giao thức trao đổi khóa hạng nhẹ, gồm 2 khóa chia sẻ giữa thiết bị IoT và Gateway, trong đó sử dụng một khóa chủ đối xứng dài hạn, ký hiệu là K_m, và một khóa chia sẻ ngắn hạn (khóa phiên) ký hiệu là K_s. Khóa phiên khởi tạo được ký hiệu là K_iks. Cả khóa chủ và khóa phiên khởi tạo được nhập thủ công một lần vào trong bộ nhớ EEPROM của thiết bị IoT và Gateway. Mỗi Gateway xác thực thiết bị IoT thông qua các Message trao đổi giữa hai bên, các Message được mã hóa bởi khóa chủ K_m và được băm nhờ khóa K_iks. Giao thức này đảm bảo cả hai bên đều có khóa chia sẻ K_s, được dùng để mã hóa và tính giá trị băm cho Message phiên. Điều quan trọng, cần đảm bảo là các khóa bí mật không được chia sẻ trực tiếp qua mạng. Việc xác thực lại và cập nhật khóa phiên K_s được thực hiện thường xuyên. Các Message được trao đổi giữa những lần cập nhật được gọi là “phiên”. Mỗi phiên có một ngưỡng, là số lượng lớn nhất các frame được trao đổi trong phiên. Việc cập nhật khóa phiên K_s được dựa trên tập hợp ngẫu nhiên các frame trao đổi ở phiên trước cũng như khóa K_s trước, và khóa K_m. Như vậy, kể cả khi kẻ tấn công tìm ra K_s ở một thời điểm nào đó, cũng không thể tìm ra khóa phiên tiếp theo để giải mã, trừ khi kẻ tấn công biết cả K_m và K_s hiện hành.

Ngoài ra, thiết bị IoT và Gateway có thể phải làm việc trong môi trường không có kết nối, khả năng truy cập đến bên thứ ba tin cậy cũng cần hạn chế. Hình 1 mô tả một mạng IoT tổng quát bao gồm nhiều thiết bị IoT và một Gateway, trong đó các thiết bị IoT liên kết với nhau thông qua Gateway.

Sử dụng giao thức trao đổi khóa hạng nhẹ trong IoT

Hình 1. Cấu hình mạng IoT

Như đã trình bày ở trên, mỗi cặp thiết bị IoT và Gateway chỉ có một cặp duy nhất K_m và K_s, cặp khóa này đóng vai trò quan trọng trong việc xác thực. Các thiết bị IoT và Gateway được xác thực thông qua các Message được mã hóa với khóa chia sẻ K_m và được tính giá trị băm với khóa K_iks, khóa K_s dùng để mã hóa và tính giá trị băm của Message trong một phiên. Giao thức tạo ra mã hóa xác thực sử dụng chế độ làm việc Counter với CBC -MAC (CCM). Chế độ này đảm bảo tính bí mật và xác thực Message trong tất cả các pha. Với chế độ này CCM, CBC-MAC được dùng để tính một mã xác thực Message (MAC) cho tất cả các khung (header, nonce và payload) bằng cách sử dụng một khóa bí mật đối xứng (K_mhoặc K_sphụ thuộc vào từng pha). Còn chế độ bộ đếm Counter được dùng để mã hóa tải payload như là MAC, bằng cách sử dụng một giá trị nonce và khóa bí mật đối xứng (K_ikshoặc K_stùy vào pha). Khi số lượng frame đạt đến ngưỡng cho trước thì bắt đầu một phiên mới.

K_sđược cập nhật thường xuyên, và không được trao đổi qua mạng. Khi cập nhật K_smới sẽ sử dụng giá trị K_s trước đó, có nghĩa là khóa phiên mới K_s phụ thuộc vào khóa phiên.

Giao thức [1] đã đề xuất được các ưu điểm của tính ngẫu nhiên trong các frame thông thường, và dùng nó để tạo tính ngẫu nhiên của các khóa phiên. Phần tiếp theo sẽ giới thiệu về pha xác thực dành cho thiết bị IoT mới.

Kết nối thiết bị IoT mới

Khi một thiết bị IoT lần đầu tiên tham gia vào mạng, bước khởi tạo ban đầu cần cung cấp cho cả thiết bị IoT và Gateway khóa thỏa thuận K_s. Điều này được thực hiện bằng cách cài thủ công khóa chia sẻ K_mvà K_iks (đã được cài vào Gateway) vào thiết bị IoT mới. Hình 2 mô tả các bước của việc khởi tạo thiết bị IoT mới, bao gồm:

Hình 2. Pha khởi tạo thiết bị IoT mới

Message 1: Thiết bị IoT gửi ID₁, một giá trị khởi tạo, Nonce1 và MAC_Kiks(Message 1), được mã hóa bởi K_mđến Gateway. Để chứng minh tính chân thực của định danh, thiết bị IoT mới đưa ra thử thách Nonce1. K_iksđược dùng để tính MAC cho cả Message.

Message 2: Phụ thuộc vào việc nhận Message 1 từ thiết bị IoT, Gateway sẽ lựa chọn một tập hợp ngẫu nhiên của frame dự kiến RandFrmSeqs_i+1, để cập nhật khóa K_s lần tiếp theo. Sau đó gửi lại Nonce2 (một thử thách mới của Gateway) và Nonce1 cho thiết bị IoT như là một phần của Message 2. Nonce2, RandFrmSeqs_i+1 và Nonce1 sẽ được mã hóa với khóa chủ để đảm bảo tính bí mật trong trao đổi với thiết bị IoT.

Message 3: Khi thiết bị IoT nhận được Message 2, nó khẳng định rằng giá trị băm của MAC nhận được phù hợp với giải mã Message thông qua K_m. Thiết bị IoT sẽ đánh dấu Gateway đã được xác thực, khẳng định thiết bị IoT đã nhận được tập RandFrmSeqs_i+1. Ngoài ra, thiết bị IoT biết Gateway có khóa đúng K_iks và nhận Nonce1 đúng từ Message 1 và xác thực Gateway, sau đó gửi lại Message 3 cho Gateway.

Message 4: Khi Gateway nhận Message 3, nó kiểm tra MAC. Nếu đúng, Gateway đánh dấu thiết bị IoT là được xác thực, và Gateway biết thiết bị IoT có khóa đúng K_iks và nhận được Nonce2 trực tiếp từ Message 2. Gateway gửi ID_G, kết quả mã hóa “ack” và MAC_Kik(Message 4) sử dụng K_m đến thiết bị IoT để khẳng định Message 3 đã được nhận đúng bởi Gateway. Gateway có K_s là khóa dẫn xuất ngẫu nhiên từ Nonce1 và Nonce2, sử dụng như đầu vào salt (một giá trị ngẫu nhiên), sử dụng K_iks như là khóa HKDF.

Sau khi đã xác thực thiết bị IoT mới, việc giao tiếp thông thường giữa Gateway và thiết bị IoT sẽ được thực hiện như trong Hình 3.

Hình 3. Giao tiếp giữa Gatewway và thiết bị IoT

Trong đó, cả hai thiết bị dựa trên K_s, và chúng trao đổi an toàn nhờ K_s. Trong pha này, cả hai thiết bị giữ các frame tương ứng thông qua RandFrmSeqs_i+1 và được dùng cho khóa K_s cho đến ngưỡng frame đạt được. Đối phương không chỉ không biết RandFrmSeqs_i+1, mà còn không biết tất cả các frame của phiên.

Việc cập nhật khóa phiên được mô tả như trong Hình 4.

Hình 4. Cập nhật khóa phiên

Message 1: Thiết bị IoT tính khóa K_s cho phiên tiếp theo, nó sẽ là khóa HKDF của khung ngẫu nhiên dựa trên RandFrmSeqs_i được sử dụng như thông tin đầu vào, nhận được ở phiên trước, và K_m(được dùng như là salt). Sau đó, thiết bị IoT gửi ID₁ qua lệnh “update key”, Nonce1, cùng với MAC_Ks(Message 1) được mã hóa với K_m gửi đến Gateway.

Message 2: Khi nhận được cập nhật khóa, Gateway kiểm tra ngưỡng đã đạt được chưa. Nó tính K_s cho phiên mới, với khóa HKDF của phiên ngẫu nhiên trên RandFrmSeqs_i như là đầu vào và K_m, (được dùng như salt), cùng với khóa hiện thời K_s. Gateway tính MAC bằng cách sử dụng K_s như là khóa được liên lạc với thiết bị IoT trong bước này. Sau đó, Gateway gửi ID_Gvà mã hóa Nonce2, RandFrmSeqs_i+1 , Nonce1 và MAC_Ks(Message 2) sử dụng K_mcho thiết bị IoT.

Message 3: Khi nhận được Message 2, thiết bị IoT đánh dấu Gateway đã được xác thực bằng việc kiểm tra MAC. Nó tính giá trị băm của Nonce2 và RandFrmSeqs_i+1 phù hợp với hoạt động của Gateway. Sau đó, thiết bị IoT gửi ID₁và mã hóa của h(Nonce2||RandFrmSeqs_i+1) và MAC_Ks(Message 2) sử dụng K_m. Khi Gateway nhận được Message 3, sẽ xác nhận IoT được xác thực khi MAC được kiểm tra, và việc cập nhật khóa thành công.

Tiếp theo là việc xác thực lại và ổn định lại khóa phiên, được mô tả như trong Hình 5.

Khi có sự đồng bộ lỗi của K_s với lý do nào đó (có thể là do bị phá hoại hoặc lý do khác), cả hai bên cần thống nhất lại khóa K_san toàn. Việc gọi lại cả K_mvà K_iksđược đảm bảo trong cả hai thiết bị với bộ nhớ không phụ thuộc vào điện. Vì vậy, cả hai thiết bị dùng K_mvà K_iksđể xác thực lại và ổn định lại một khóa mới K_s từ Nonce1, Nonce2 và K_iks, điều này sẽ tạo ra một khóa K_s khác với xác suất cao, được thực hiện mỗi khi khởi động lại K_s. Ví dụ, thiết bị IoT hoặc Gateway có thể khởi động lại vì lý do này, kết quả là cả hai phải được khởi động lại K_scho khóa K_s mới ngẫu nhiên và xác thực lại, thỏa thuận lại khóa an toàn, được chỉ ra trong Hình 5. Tiến trình này tương tự như quá trình xác thực và thiết lập khóa, ngoại trừ lệnh « reset » thay cho lệnh « initialization ».

Hình 5. Xác thực và thiết lập lại khóa phiên

Đánh giá độ an toàn của giao thức

Phần này sẽ đánh giá an toàn cho giao thức đã giới thiệu phía trên. Theo các tác giả trong [1], việc có cả 2 khóa K_m, K_ssẽ cung cấp độ an toàn tốt hơn, gây khó khăn cho kẻ tấn công muốn biết cả 2 khóa. Các phân tích đã chứng tỏ được nếu chỉ biết 1 khóa sẽ không đủ để lộ tính bí mật và tính toàn vẹn của Message. Các tác giả cũng chỉ ra rằng, giao thức được đề xuất thỏa mãn tính an toàn đầy đủ về phía trước (PFS- Perfect Forward Secrecy). Một số điểm chính bao gồm:

- Độ dài của khóa K_mvà K_sphải đủ phức tạp để chống lại tấn công vét cạn.

- Biết giá trị K_mlà không đủ để giải mã các Message phiên, bởi vì chúng đã được mã bởi khóa khác.

- Các khóa phiên không được chuyển dưới dạng rõ, biết K_m là không đủ để biết K_s.

- Thậm chí nếu biết K_m, có một kênh hoàn thiện, và ghi tất cả Message từ nơi bắt đầu, chúng không sở hữu được K_s bởi vì các khóa không bao giờ được trao đổi dạng rõ trên mạng. Ngoài ra, kẻ tấn công không thể tính giá trị K_s hiện tại, bởi vì chúng phụ thuộc vào K_s trước đó.

- Nếu kẻ tấn công biết K_s và thậm chí chúng có cả kênh an toàn, thì vẫn không thể biết khung ngẫu nhiên được thỏa thuận để sinh khóa phiên tiếp theo.

- Nếu chỉ có K_m được biết và thiết bị IoT khởi động lại hoặc kênh bị nghẽn bởi kẻ tấn công cũng ghi các Message được trao đổi, giao thức chống lại tấn công kẻ ở giữa một cách mạnh mẽ.

- Nếu kẻ tấn công chỉ biết K_m ở pha khởi tạo, các tấn công ở giữa hoặc cướp phiên (session hijack) vẫn không thành công, bởi vì kẻ tấn công phải có khóa khác K_iks, để chứng minh tính hợp pháp cho bên còn lại.

Kết luận

Các tác giả trong [1] đã đề xuất giao thức trao đổi khóa và xác thực để đảm bảo liên lạc an toàn trong môi trường IoT. Giao thức được đề xuất có mục tiêu đảm bảo an toàn, hạng nhẹ, có năng lượng và không gian phù hợp, có xác thực và trao đổi khóa trên các thiết bị hạn chế tài nguyên. Độ an toàn của giao thức bao gồm các khóa bí mật được gửi dưới dạng mã trên đường truyền. Giao thức thường xuyên cập nhật các khóa phiên đối xứng thông qua việc mã hóa và băm dữ liệu dựa trên tham số ngẫu nhiên (đã đã thỏa thuận từ trước). Đồng thời cũng giới thiệu hai trở ngại, hai khả năng lộ lọt, có thể phá vỡ giao thức, đó là tổn thương khóa đối xứng dài hạn K_m và khóa đối xứng ngắn hạn K_s. Trong giao thức được đề xuất, không có thành phần đơn lẻ nào bị lộ có thể ảnh hưởng đến nhiệm vụ xác thực và trao đổi khóa có thể gây ảnh hưởng đến tính bí mật cũng như tính toàn vẹn của Message được trao đổi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bin Rabiah, Ramakrishnan, Elizabeth Liri, Koushik Kar “A lightweight Authentication and Key Exchange Protocol for IoT”, 2018, Sandiego, USA.

[2] Rafael Alvarez, Candido Caballero-Gil “Algorithms for Lightweight Key Exchange”, 2017.

ThS. Phạm Quốc Hoàng, TS. Đỗ Quang Trung

‹ › ×

Tin liên quan

Giao thức trao đổi khóa và khả năng chống tấn công DoS

15:34 | 05/04/2010

Giao thức trao đổi khóa xác thực kèm xác nhận khóa (AKAKC – Authenticated Key Agreement with Key Confirmation) có khả năng chống lại tấn công từ chối dịch vụ (DoS) đã được đề cập trong một số tài liệu [3]. Bài viết này phân tích và làm sáng tỏ một số tính chất của giao thức AKAKC như chống tấn công DoS, xác thực khóa hai chiều, xác nhận khóa hai chiều và tính an toàn đầy đủ hai phía (PFS).

Mozilla phát hành Firefox 61 với nhiều cải tiến và hỗ trợ giao thức bảo mật TLS 1.3

07:00 | 06/07/2018

Ngày 21/6/2018, Mozilla đã phát hành Firefox 61 cho hệ điều hành Windows, Linux và Mac với hiệu suất được cải thiện đáng kể và hoạt động ổn định hơn, đồng thời hỗ trợ giao thức bảo mật TLS 1.3.

Một số lưu ý khi cấu hình bảo mật cho router wifi

14:00 | 10/02/2020

Với xu hướng Internet vạn vật (IoT) hiện nay, việc sử dụng mạng wifi ngày càng trở nên phổ biến. Tuy nhiên, công nghệ này cũng đem lại nhiều rủi ro mất an toàn thông tin với người dùng. Một trong những công tác đảm bảo an toàn cho mạng wifi là bảo mật thiết bị định tuyến, trong đó, việc cấu hình thiết bị định tuyến là một trong những điều kiện tiên quyết.

Một số thách thức và định hướng điều tra số trên môi trường IoT

08:00 | 17/02/2020

Công nghệ Internet of Things (IoT) hỗ trợ khả năng giao tiếp và kết nối hàng tỷ thiết bị cùng một lúc, đem lại nhiều lợi ích cho người dùng, làm thay đổi cách thức tương tác giữa người dùng với công nghệ. Thời gian gần đây, thế giới đã chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng trong việc sử dụng các thiết bị thông minh, công nghệ IoT trong mọi lĩnh vực. Tuy nhiên, sự tăng trưởng với tốc độ cao kèm theo hạn chế về năng lực kiểm soát công nghệ cũng dẫn đến một số thách thức về pháp lý và kỹ thuật trong lĩnh vực điều tra số.

Hệ mật khóa đối xứng sử dụng khóa động và bộ sinh đồng dư tuyến tính

16:00 | 31/03/2020

Hệ mật khóa đối xứng đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo an toàn, bảo mật thông tin. Khi các bên tham gia truyền thông dựa trên hệ mật khóa đối xứng, người dùng sẽ thực hiện chia sẻ với nhau một khóa bí mật để mã hóa/giải mã thông điệp. Để chia sẻ với bạn đọc vấn đề này, bài báo dưới đây sẽ giới thiệu hệ mật khóa đối xứng sử dụng khóa động và bộ đồng dư tuyến tính, nhằm nâng cao độ an toàn so với việc sử dụng khóa tĩnh trong một thời gian dài.

Số nguyên tố an toàn trong các giao thức DH-KE

14:00 | 05/02/2021

CSKH-01.2020. Abstract—Việc sinh các số nguyên tố “an toàn” p, mà ở đó tất cả các ước nguyên tố khác 2 của p-1 đều là ước nguyên tố lớn, là hết sức cần thiết để tránh các tấn công nhóm con nhỏ được chỉ ra bởi hai tác giả Chao Hoom Lim và Pil Joong Lee. Một thuật toán hiện có để sinh các số nguyên tố như vậy cũng đã được trình bày bởi hai tác giả này. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp đó là thuật toán không phải khi nào cũng trả về được một số nguyên tố an toàn. Một phần lý do cho vấn đề này là vì thuật toán không (và khó có thể) được phân tích và đánh giá kỹ lưỡng về mặt toán học. Do đó, mục đích chính của bài báo là đề xuất một thuật toán mới để sinh các số nguyên tố an toàn và kèm theo các đánh giá chi tiết về mặt toán học.

Đề xuất giao thức xác thực an toàn trong mạng IoT dựa trên hai giao thức 3PKD và SIGMA

14:00 | 22/02/2019

Trong bài báo này, chúng tôi phân tích tính năng an toàn thông tin trong giao thức xác thực của nhóm tác giả Esfahani và đề xuất một lược đồ xác thực an toàn và hiệu quả để xác thực các thiết bị có tài nguyên hạn chế nhằm đảm bảo tích hợp an toàn vào các giải pháp IoT trong các hệ thống sản xuất.

Tin cùng chuyên mục

Xu hướng tấn công vào thiết bị IoT và một số kiến nghị

13:00 | 23/01/2025

Cách mạng khoa học công nghiệp 4.0 với sự hội tụ của hệ thống không gian mạng thực - ảo, điện toán đám mây, Internet vạn vật (IoT) được đưa vào ứng dụng rộng rãi, ảnh hưởng trực tiếp đời sống, kinh tế, xã hội, quốc phòng, an ninh của các quốc gia. Sự xuất hiện của các thiết bị IoT làm gia tăng sự kết nối của con người, dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ số hóa, tự động hóa ở tất cả các ngành nghề, lĩnh vực, mang lại những lợi ích to lớn, tạo ra các mô hình kinh doanh mới nhưng đồng thời cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ bị tấn công mạng, gây mất an toàn thông tin, an ninh mạng. Bài viết sẽ thông tin tới độc giả về xu hướng tấn công vào thiết bị IoT và đưa ra một số kiến nghị để ứng phó với các thách thức đang đặt ra.

Tấn công APT, khai thác lỗ hổng Zero-day và tấn công chuỗi cung ứng: Sự khác biệt và cách phòng, chống (phần 2)

13:00 | 18/11/2024

Đứng trước thách thức về các mối đe dọa nâng cao, khái niệm về “chuỗi tiêu diệt” được sử dụng để phòng, chống các mối đe dọa này. Phần 2 của bài báo tập trung trình bày về các biện pháp phát hiện, bảo vệ hệ thống khỏi tấn công APT, khai thác lỗ hổng Zero-day và tấn công chuỗi cung ứng.

Deepfake: Thách thức nghiêm trọng cho an toàn thông tin kỹ thuật số (phần 2)

07:00 | 07/11/2024

Song song cùng sự phát triển của công nghệ, Deepfake cũng có lịch sử phát triển với nhiều loại hình khác nhau. Phần hai của bài báo sẽ tập trung phân loại các loại hình Deepfake và trình bày về các tập dữ liệu có giá trị trong việc phát hiện công nghệ tinh vi này.

Một số kỹ thuật và công cụ phát hiện Deepfake

10:00 | 16/08/2024

Trong những năm gần đây, công nghệ Deepfake đã trở nên ngày càng phổ biến hơn, cho phép tạo ra các video thực đến mức chúng ta khó có thể phân biệt với các video quay thực tế. Tuy nhiên, công nghệ này đã bị các tác nhân đe dọa lợi dụng để tạo ra những nội dung giả mạo, hoán đổi khuôn mặt nhằm mục đích lừa đảo, gây ảnh hưởng tiêu cực đến xã hội. Do đó, việc phát triển các công cụ phát hiện Deepfake mang tính cấp bách hơn bao giờ hết. Bài viết này sẽ giới thiệu tổng quan về một số kỹ thuật và công cụ phát hiện Deepfake hiệu quả.