Authentication protocols for D2D communications

Abstract

A comunicação Dispositivo-a-Dispositivo (D2D) é uma das tecnologias promissoras para ser usada na conexão de grandes quantidades de dispositivos, como previsto para a Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things), ao proporcionar a oportunidade de conexão direta entre dispositivos, sem a obrigatoriedade de emprego da infraestrutura de redes tradicionais. A segurança é um item crucial para o sucesso da IoT e das comunicações D2D e pode ser proporcionada por protocolos de autenticação e acordo de chaves (AKA, do inglês Authentication and Key Agreement). Entretanto, os protocolos de autenticação utilizados nas redes tradicionais (como os protocolos EPS-AKA e EAP-AKA) não estão adaptados para D2D, e seu emprego em situação de grande aumento no número de dispositivos conectados imporia um elevado consumo de recursos, especialmente de banda e de processamento computacional. Adicionalmente, no início do trabalho foram identificados poucos protocolos dessa categoria, especificamente voltados para D2D. Este trabalho apresenta o projeto e a avaliação de 3 (três) protocolos de autenticação e acordo de chaves para comunicações D2D, desenvolvidos para 3 (três) cenários:1) dispositivos integrantes de Telecare Medical Information Systems (TMIS) baseados em sistema de nuvem computacional; 2) grupos de dispositivos em cenário genérico de emprego de comunicações D2D, onde sejam esperadas grandes quantidades de dispositivos; 3) grupos de dispositivos em comunicações D2D em cenário m-health. A metodologia para obtenção de novos protocolos seguros considerou, como passo inicial, uma revisão da literatura, buscando identificar protocolos que tenham sido empregados, de forma específica, em cada cenário considerado. Em seguida, foi definida uma arquitetura específica de cada cenário considerado, bem como propriedades de segurança a serem alcançadas e possíveis ataques contra os quais caberia oferecer proteção. Foram então criados novos protocolos de autenticação para os cenários e arquiteturas citados, considerando o emprego de comunicações D2D. Em todos os três cenários, dentre as propriedades de segurança tidas como requisitos para o correto funcionamento da comunicação D2D, incluem-se a preservação da confidencialidade, a integridade e a disponibilidade do sistema; em termos de possíveis ataques, ataques tais como os dos tipos man-in-the-middle, repetição e personificação foram tratados, visando proteção pelo protocolo contra os mesmos. Após a descrição de cada protocolo, esta dissertação apresenta comparações em relação a propriedades de segurança entre cada um dos protocolos propostos e alguns de seus respectivos trabalhos relacionados. Uma comparação envolvendo custos de computação, de comunicação e de energia é então realizada. Os resultados obtidos mostram bom desempenho e robustez em segurança para os três esquemas propostos. As propostas mostram-se adequadas para uso futuro, na autenticação de dispositivos IoT que utilizarem comunicação D2D, dentro dos cenários adotados e sob as condições em que foram avaliadas. Uma validação semiformal dos protocolos é também apresentada. A ferramenta AVISPA é utilizada para verificar a robustez da segurança dos protocolos desenvolvidos.