无线通信和移动计算

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无线通信和移动计算/2019年/文章
特殊的问题

安全计算4 g / 5 g使物联网

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2019年 |文章的ID 8913910 | https://doi.org/10.1155/2019/8913910

崔Sieun Kim Taek-Young梦想,Daeseon ki - woong公园, UAV-Undertaker:安全地远程擦除可验证方案的Countdown-Concept无人机通过随机数据同步”,无线通信和移动计算, 卷。2019年, 文章的ID8913910, 11 页面, 2019年 https://doi.org/10.1155/2019/8913910

UAV-Undertaker:安全地远程擦除可验证方案的Countdown-Concept无人机通过随机数据同步

学术编辑器:Ilsun你
收到了 2019年1月31日
修改后的 2019年3月28日
接受 2019年4月22日
发表 2019年5月16日

文摘

无人驾驶飞行器(无人机)在现代战争中发挥着越来越核心的作用,与强大,但微型嵌入式计算系统积极应用于军事领域。机密数据,如军事机密,可能会存储在无人机等军事设备,和这些数据的捕获或损失可能会导致严重的损害国家安全。因此,安全可验证远程擦除技术的发展为军事设备被认为是核心技术。在这项研究中,我们设计了一个可验证的远程擦除方案countdown-concept使用随机数据同步,以满足安全可验证远程擦除的技术。该计划允许gc(地面控制站)远程擦除数据存储在无人机,即使在失去沟通,并返回擦除后GCS擦除的证据。积累我们的方法将数据存储在无人机作为一种新的数据类型和数据类型的特点适用于生成擦除的证明。我们选择一个小规模的数据样本(而不是所有的数据)和执行之前的学习只样本;通过这种方式,我们可以获得的证据的证明的力量消除与相对少量的流量。当我们想要远程设备擦除100 mb的数据,100 mb的数据传输所需的相关工作,而我们的系统显示数据传输量的比例随机选择的数据。通过这样做,通信稳定甚至可以获得稳定的通信情况下的最大流量变化可以预测。 Furthermore, when the UAV sends the proof of erasure to the GCS, the UAV does its best to perform the erasure operation given its situation.

1。介绍

2011年,美国军方失去控制美国洛克希德·马丁公司的rq - 170哨兵无人机(UAV)在阿富汗的使命。无人机被伊朗军队(1),成功地提取信息,发布了一个视频从捕获的无人机,然后建造了一个副本rq - 170, Saegheh [2]。所展示的这节课中,无人机的盗窃造成重大损害,包括机密数据的损失,如收集信息(3]。因此,它是必不可少的保证无人机的安全(4- - - - - -6]。

擦除数据根据需要可以保护机密信息存储在远程设备。一般来说,如果一个用户发送一个擦除请求,远程设备接收并执行擦除。然而,远程无人机执行任务不能总是接收信号(7- - - - - -9]。因此,技术需要完全擦除后的数据存储在远程无人机损失。

认识到敏感信息被泄露(例如,的erasure process has not been performed) is critical, and so confirmation of erasure must be performed in a verifiable manner (verifiable erasure). Verifying the result of the erasure operation as 1-bit response has low reliability [10]。明显的擦除必须提出证据,必须没有机制恶意用户可以生成错误的证据。

1表明三种情况下无人机攻击或捕获后可能会面对。在传统远程擦除系统(11,12),一个地面控制站(GCS;即控制中心提供了人类控制无人机)可以消除数据通过发送一个消除信号丢失的无人机。然而,当交流减少,传统远程擦除是不可用的。我们设计了counter-based擦除,擦除数据在一个无法控制的环境中。本研究是我们的以前的工作的延伸13,14),我们关注值得信赖的系统设计为无人机远程擦除。然而,我们的目标是设计一种机制来选择随机种子数据使用积累数据和发展可信赖的远程擦除的方法。设计方案有一个计数值,价值一个接一个的精神性和擦除数据当计数器值达到零。GCS可以保留存储数据只能通过定期派遣无人机的特定值。如果GCS没有特定值发送到远程无人机和计数器达到零,无人机擦除数据。在验证方面,多数现有机制提供没有或只有一个简单的响应(擦还是不擦)。我们的远程擦除系统提供了相对复杂的但可验证的证据通过随机数据同步擦除。在擦除的过程数据,远程无人机不断生成一个擦除的证据,直到无人机完全停止;这个证明是多次发送给gc。GCS检查证明已经收到并确认远程数据擦除。

本文的其余部分组织如下:部分2评论相关的可核查的远程数据擦除。部分3描述了材料和给我们UAV-Undertaker机制的细节。部分4描述了两个实验结果的通信和计算开销。本文以部分5结论在我们的工作。

远程擦除的问题解决存储数据和可验证性,研究者设计了擦除操作的方法生成一个可证明的价值。我们分析了其中几个,确定应用的限制因素为无人机可核查的擦除。

Perito指出和Tsudik15)使用一个姿势(证明安全擦除)安全代码更新嵌入式设备通过验证的擦除记忆。验证器发送verifier-selected随机性验证内存的大小,和证人的记忆充满了接收到的值。验证方返回完全相同的随机写在内存校验。校验和验证方发送一个随机值的内存大小,这个协议有巨大的通信开销。在我们的系统,如图9截面4,当少量的数据(例如, = 2)选为种子和传输,传输数据的瞬时量明显低于当实时跟踪所有数据(例如, = 100)。换句话说,我们的股票系统所需的数据传输量的负担来验证擦除操作。因此,我们的系统可以显著降低瞬时的传输数据量的限制上述研究。Dziembowski et al。16)提出了一个方案,减少了通信带来的复杂性。验证验证器发送一个种子。验证方执行一个哈希函数使用种子和保留了相当大的结果值使用验证的所有内存。计算哈希值只能生成一次,因为它使用一个密钥存储在内存中,因此它可以被擦除的证据。然而,尽管这项计划减少带来的通信开销,出现一个巨大的计算开销。里奇- et al。17]介绍了速度,保证嵌入式系统上擦除。实现的协议是孤立的内存使用可信软件模块。验证器的距离测量的距离边界(DB)协议,建立一个上限之间的物理距离校验和验证。通过DB协议验证方验证校验,如果验证成功通过擦除数据。核实擦除,验证方发送的消息验证码值证明整个记忆。然而,这个计划是有限的距离,所以并不适用于无人机。

我们的方法解决了可验证消除通过擦除的证明15- - - - - -18),只有用户可以识别,在上面的研究。然而,证明我们的方法创建一个内存块的擦除以这样一种方式都有各自的依赖,保证更强有力的证据。此外,与以往的研究相比,并没有考虑损失在通信环境中,我们旨在实现远程擦除的无人机劫持后,损失,和/或断开。同时,传感器系统在云类似于我们的系统,它从远程设备收集数据,并对其进行处理,以实现特定的目标。然而,在云传感器系统的情况下,收集到的信息是有限的传感器数据,仅仅是用于向用户提供监控。在我们的系统中,收集信息远程设备的内存信息。可以看出,从云端传感器系统是有区别的,它验证是否执行擦除操作,利用这一点。

3所示。提出了系统架构

我们的UAV-Undertaker包括两个部分:通信协议和可核查的擦除协议。我们确认控制无人机是否输了与无人机通信。因此,重要的是要确认消息来源于表示发送方(即。,真实的沟通),没有改变。这种身份验证的角色是作为通信协议的实现使用一个散列链机制(19]。我们还实现以可核查的方式消除协议,它生成的证据消除验证确实执行擦除操作。我们分类数据区域的次数的数据显示会为了增加的证据的证明的力量消除只有少量的数据(因此,提高效率)。操作结果值是由准确执行擦除操作实现。因此,加密加速器,比如TPM(可信平台模块),必须使用为了使计算的结果值得信赖。

2展示了我们的方法的总体流程GCS和无人机的观点。从gc的角度来看,GCS发送一个身份验证请求消息的无人机时间间隔年代,然后等待消息的无人机。如果无人机的GCS接收一条消息,它验证消息是真实的;如果是的话,它将更新发送下一个值。如果与无人机通信被切断,无人机执行擦除操作和GCS反复擦除的接收证明无人机并验证它。从无人机的角度来看,后递减计数器,无人机等待消息的gc(空闲状态)。无人机,已成功验证GCS散列值的更新下一个认证,初始化价值递减计数 (即。,的initial value of the counter), and waits for the message to be received again (idle state). If the UAV does not receive a message from the GCS before the count value reaches a certain value, the UAV repeatedly erases stored data and repetitively sends proof of erasure through a low frequency.

3.1。通信协议

允许每个消息的发送方身份验证,使用散列链和消息加密通信协议。对消息进行加密,无人机必须共享的对称密钥安全脱机GCS出发前。我们的方法是设计来执行擦除协议之后 reauthentication请求,因为无人机可能面对只有短暂的沟通失败, 可以自由设置的情况下任务。表1定义了实体符号和符号的消息。


定义实体的符号

GCS 地面控制站
无人机 无人驾驶飞行器

外延

味精= 消息包含两个上下文( )
味精= ∥( ) 消息总是包含 背景,但 上下文是可选的。

定义消息的符号

一个对称密钥之间共享
加密 与关键
用哈希函数值来计算
哈希函数计算
重传位
验证计算
的结果 的哈希函数
生成随机数据重放攻击
地址的热数据修改后以前的身份验证
地址积累的数据修改后以前的身份验证
组包含热数据随机选择的地址和这些数据的值
包含地址积累的数据集随机选择,这些数据的值
擦除的证明

希腊符号的定义

的比例随机选择的数据积累的数据量
量的比例随机选择的数据在炎热的地区
重复认证许可数量
计数器的初始值

3显示了消息流时,无人机和执行gc之间的沟通没有问题。首先,GCS加密哈希函数计算的数量( )和哈希函数的值来计算( )使用对称密钥已经GCS和无人机之间共享;然后发送一个初始化请求消息(消息1 - 1包含加密的值的无人机)。当价值收到GCS、无人机计算 ,加密,并发送一个响应消息初始化(消息1 - 2gc)。GCS确认了无人机收到正确的 GCS和无人机,相互验证,开始使用一个散列链交换身份验证消息。GCS发送消息到定期无人机。最大计数器的值时 (秒)和reauthentication倍的数量 ,时间间隔计算使用(1)。常量” “在(1)添加因为GCS等待时间间隔然后发送下一条消息。常量” “在(1)乘以防止定时器初始化期间最大的认证延迟,可以发生在我们的系统。

无人机后接收一条消息(消息1 - 3包含gc的散列值),无人机的散列值计算得到的值和比较值与先前存储的值。如果两个值相等,无人机初始化的计数值 并更新存储值的散列值收到gc。确认消息发送后GCS,无人机发送一个消息(消息1 - 4随着)包含内存信息 gc。 (改变内存信息)中消息1 - 4不加密和传输。原因是,在我们的系统中, 可以包含大量数据和对这些数据进行加密预计将有一个非常高的计算开销。即使恶意用户成功获得未加密 ,用户无法生成错误的证据,因为最后一个散列值用于擦除操作不能确定。这些交易是重复的 如果沟通是好的。当身份验证(的数量 )超过 (即。,的maximum number of hash function calculations), the GCS and the UAV reexchange the new 通过消息1 - 1消息1 - 2

4显示了消息流从当无人机不能收到GCS直到计数器值的散列值达到0,这时它开始擦除协议。如果gc发送身份验证请求消息(消息2 - 1)无人机,但不接受身份验证无人机的响应消息,GCS等时间间隔时间,然后再次发送消息包含相同的散列值。此时, (即。,的retransmission) is set to 1 and included in the message (消息2 - 2)。如果无人机面临一个临时通信失败,它将随后收到reauthentication请求消息(消息2 - 2从gc);无人机检查 ,承认重新发送,并确认了散列值存储在无人机和接收的值是相等的。如果这两个值相等,无人机返回值( ),这意味着下一个散列值的要求。当时,无人机不更新存储计数器值或散列值。如果两个值不相等,无人机的散列值计算得到的值并将它与存储值。如果两个值相等,无人机重置计数器值和更新存储的散列值。之后,用户和无人机恢复正常通信。然而,如果下一个散列值是没有收到GCS和计数器的值插入到无人机达到0,无人机执行擦除协议和发送一条消息(消息2 - 3擦除),包括证据和内存信息改变了GCS因为最近成功的身份验证通过一个特定的频率。为了GCS验证无人机执行擦除操作,GCS必须知道改变了无人机的内存信息。然而,在gc之间的通信和无人机丢失,GCS不知道信息的数据改变的无人机。因此,消息2 - 3包含改变内存信息自通信断开连接。我们的方法采用最好的努力的方法,无人机多次执行擦除操作传输后擦除的证明和继续发送擦除的证明(消息2 - 4gc)。执行擦除操作的次数完全取决于给定的时间擦除后的无人机行动已经开始。

3.2。可核查的擦除协议

对于数据擦除,我们的方法将无人机存储分为三个数据区域根据预期数量的写数据(图5)。第一个区域是一个冷的数据区域(即。,data that will never be modified after the UAV departs), the second is the accumulated data region (i.e., data that will not be modified after it has been written; for example, video shot by the UAV), and the third is a hot data region (i.e., data that is actively modified). The mechanism assumes that the GCS knows the address values of the three data regions.

我们提出的证据消除生成方法需要积累数据的实时跟踪和热数据(除了冷数据不会改变,因为每个数据点都有一个相互依赖的证据擦除)。然而,由于跟踪所有的数据导致相当大的通信开销,我们随机选择数据作为种子和包含这些数据(数据传递身份验证信息67)。

选中的数据由记录地址种子块表中值和数据类型。积累的数据区域,种子数据选择的数量 修改数据块的数量 ,以前的种子块被选中当前时间 ,种子块选择的发生。因此,当选择种子数据,选择种子均匀不管数据生成的时间。在炎热的数据区域,种子数据选择的数量 在修改数据块 ,以前的种子块被选中当前时间 ,种子块选择的发生。的价值 可以直接由用户选定。如果gc和无人机是在非常良好的沟通(高带宽)和没有问题发送和接收大量的数据;证明的gc可以增加检验的力量通过设置变量( )高。相反,如果GCS和无人机在缺乏沟通(低带宽),不能交换大量的数据、地面控制站可以降低通信数据量通过设置变量( )非常低。换句话说,gc可以设置变量根据情况gc使用我们的系统。

如果无人机计数器达到零,消除协议收益按照以下顺序:冷数据擦除,擦除积累的数据,和擦除的热数据。冷数据擦除,擦除操作执行没有任何前任因为GCS已经知道所有的值。无人机覆盖第一块(C1冷的数据与收到的最后一个散列值的gc。的无人机执行一个异或操作C2的内存块C1块擦最后收到GCS和擦拭散列值C1块的计算值。从现在起,擦拭C1块用 接下来,C2块擦拭的XOR运算获得的价值 块和C2块。以同样的方式重复擦拭内存收益(见(2)直到擦拭Cn块(即。,的last block of cold data). 积累的数据区域和热数据,GCS不能知道所有存储的值,所以前辈是必需的。的地址值最后一次成功的身份验证之后更改的数据的时间应该被记录在主内存。剩下的块,除去种子数据块,被覆盖 ,这是寒冷的擦除操作的结果数据。图底部的一面8显示了这个前任步骤后的记忆状态。然后,无人机执行的XOR运算一个2块数据和积累起来的一个1积累的数据块,纸巾一个2块结果值。如果遇到种子数据(例如,一个3)以上操作期间,无人机执行的XOR运算 积累的数据块的哈希值一个3积累的数据块,纸巾一个3块(见结果值(3))。通过这种方式,所有的数据都存储在积累数据区域和热数据区域删除。换句话说,种子也计算出的热数据(数据4)。

上面的过程被定义为第一轮。从第二轮开始,擦除过程没有区分数据区域,与第一轮。无人机擦拭 与的XOR运算的结果 块和 块。在那之后,无人机擦拭 异或操作的结果 块和 这一过程持续进行直到最后一块热数据覆盖,没有任何区别的数据区域,完成第二轮。为了防止法医,我们经过多次进行。我们假设反复擦拭内存无法恢复,所以是不可能从记忆中提取信息。第二轮的过程后,证明擦除块 使用一个哈希函数计算价值,无人机将这个值(擦除的证据)的GCS频移键控(移频键控)通过低频率。擦除的GCS世界卫生组织已收到证明无人机能够计算擦除的证明和确认消息的有效性。

在擦除过程的第一部分,最后发送的散列值GCS作为种子擦除过程中加强安全。散列值用作种子是一个加密的值,所以攻击者不能确定这个值。每个值计算上面擦除过程依赖于前一个内存数据。因此,即使攻击者知道一些内存块,一个假证明不能生成。

4所示。实验结果

测试设计协议的性能,我们实现了一个实验环境使用T2080随着无人机飞行计算机(20.];的T2080有一个128 mb的闪存,SD连接器接口,SATA接口。在这个实现中,我们进行两个实验探讨如何实际的方案是:根据通信开销 和消除延迟的擦除过程根据内存大小。我们进行了SD卡插入实验T2080。异或操作中使用的块大小是决定基于有多少个512字节的块按顺序读一次和一个块大小的用于我们的实验是1 kb,这是由连续两次读取512字节的块。

4.1。通信开销的实验

实验测量了传输的数据量根据速率数据生成和积累起来的 的传输数据量在实验时发送的数据量无人机将身份验证响应消息发送给用户。复制一个环境类似于一个真正的无人机的存储,我们使用数据生成器iozone(21虚拟数据写入SD卡。3分30秒,总共100 mb积累的数据通过数据生成器生成的。数据9(一个)9 (b)显示的数据量写入到SD卡的时间间隔。在图9(一个),数据发生器总是写一个常数的数据量,但在图9 (b),写的数据量很大程度上随时间变化。图9 (c)显示的数据时,数据传输量生成如图9(一个),图9 (d)显示的数据时,数据传输量生成如图9 (b)。在这两个实验, 被设置为2,10、50和100。每个实验都有两个随机选择的数据,以及数据的随机选择发生在时间显示 在图9。相比较而言,数据的随机选择同时发生在这两个实验。每45秒执行身份验证。

在我们的系统中,随机选择后的传输数据量的数据出现大幅增加。从实验结果可以看到,数据传输量的增加是高度依赖 生成的数据量也会影响传输的数据量,但传输的数据量是非常小的 很小。换句话说,我们的系统可以选择 根据情况,基于定时器的擦除操作和擦除验证即使启用的最大传输量无人机在很大程度上是受限制的。此外,即使突然生成的数据量的增加,生成的样本数据选择和传播,所以可以更稳定不稳定期间,发送更少的数据通信交流的情况。

4.2。擦除操作开销实验

在这个实验中,我们测量了消除延迟根据无人机的内存大小,消除延迟的时间从当嵌入式定时器达到0时擦除生成的证据。我们的方法将内存区域划分为三个区域根据类型的数据和执行擦除操作。所以,我们实验中使用的内存分为以下地区:5%的总内存数据区域的冷,85%累积数据区域,10%的热数据区域。因为我们希望消除延迟由内存大小只影响在这个实验中,我们同样设置所有变量除了内存大小。在这个实验中,的值 被设置为2。图10显示每个数字的证据传输1 gb, 2 gb, 4 gb和16 gb内存大小在有限的时间内给出了8分钟的无人机进行擦除操作。建议通过移频键控数据传输速率是每秒345比特(22]。因此,我们的实验也派出345比特每秒传输的证明时擦除。改变后的数据量通信断开,假定为100 mb。擦除延迟记录在图是消除延迟测量的平均值通过擦除操作的三倍。

如我们所料,第一轮的擦除延迟增加了内存大小。在其他的实验中,除了1 gb的场景中,第一轮的差异消除延迟执行和执行第二轮的消除延时大。这是因为散列操作的数量增加内存大小增加。第一次证明擦除的传播需要9秒的时间比随后证明传播,因为它包含的地址值改变了数据通信以来丢失。从实验结果可以看到,如果无人机定时器达到零,它有8分钟执行擦除操作32次1 gb, 2 gb的17倍,8 * 4 gb, 2 * 16 gb。换句话说,无人机在特定情形下使尽了最大努力消除和传输的数据擦除的证据。

5。结论

我们提出了一种机制来提供证据的擦除操作清除数据后存储在无人机上,即使控制远程部署无人机。要做到这一点,我们使用countdown-based方法和散列链对收到消息的发送者进行身份验证,并触发擦除操作即使通信丢失。无人机的累积数据分为新数据类型;数据的特性在擦除操作,积极利用和擦除操作的证明传播,gc可以验证是否已经执行擦除操作。

我们的方法不跟踪所有数据生成的证据时擦除,因此通信开销相对较少;相反,我们选择种子数据生成的证据擦除。通过允许的传输数据量生成证据的价值 ,基于定时器擦除,擦除验证是可能的,即使传输的最大数量非常有限。此外,由于无人机已经失去了控制,开始擦除操作不知道情况是,我们用最好的工作方法来执行擦除操作。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF)(批准号nrf - 2017 r1c1b2003957)和信息与通信技术促进研究所(IITP)韩国政府(MSIT)(批准号2019-0-00426也没有。2018-0-00420)。

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