СИСТЕМИ ГЕНЕРУВАННЯ КРИПТОГРАФІЧНИХ КЛЮЧІВ  ДЛЯ МОДУЛІВ БЕЗПЕКИ З АПАРАТНОЮ ПІДТРИМКОЮ ПРИСТРОЇВ IOT

Петро Клімушин; Максим Хруслов; Юрій Гнусов; Вадим Мальцев

doi:10.28925/2663-4023.2025.29.886

Автор(и)

Петро Клімушин Kharkiv National University of Internal Affairs https://orcid.org/0000-0002-1020-9399
Максим Хруслов Харківський національний університет імені Каразіна https://orcid.org/0000-0001-9639-9340
Юрій Гнусов Харківський національний університет внутрішніх справ https://orcid.org/0000-0002-9017-9635
Вадим Мальцев Харківський національний університет внутрішніх справ https://orcid.org/0000-0003-0214-8976

DOI:

https://doi.org/10.28925/2663-4023.2025.29.886

Ключові слова:

апаратна підтримка пристроїв IoT, криптографічні ключи, системи генерації ключів, шифрування даних, симетрична та асиметрична криптографія, автентифікація пристроїв IoT, атаки: підслуховування, на передбачуваний канал, по боковому каналу та імітації.

Анотація

Інтернет речей (IoT) є дуже великим джерелом як даних, так й джерелом багатьох вразливостей. У зв’язку з чим постає питання безпеки для захисту ресурсів вузлів IoT та даних, якими вони обмінюються. Цей процес ускладнює недостатність ресурсів цих вузлів з точки зору обчислювальної потужності, розміру пам'яті, ресурсів енергії, дальності та продуктивності бездротового з'єднання. Пристрої IoT можуть розгортатися в критичних середовищах, де будь-який витік інформації для перехоплювача або несанкціоноване проникнення в мережу може стати серйозною загрозою безпеці, особливо в Інтернеті військових речей та медичних речей. У таких мережах для забезпечення безпеки використовуються в основному криптографічні методи. Тут першочерговим завданням є генерування криптографічних ключів для пристроїв IoT, що взаємодіють один з одним. Генерування одного загального (сеансового) ключа для обох сторін дозволяє використання симетричних алгоритмів шифрування. Для розподілу цих ключів може використовуватися криптографія з відкритим ключем (асиметрична криптографія), яка є надто складною з обчислювальної точки зору та енерговитратною, щоб працювати на пристроях IoT з обмеженими ресурсами. Актуальним завданням для реалізації захищених технологій та правил безпеки у мережі IoT є завдання генерації та оновлення симетричних криптографічних ключів з високою ентропією. Наряду с цим, для спрощення системи обміну в мережі IoT криптографічними ключами основним питанням є безпечна доставка даних нового ключа та оновлення ключа при обміні. Більшість запропонованих стратегій генерації ключів застосовані на основі фізичного рівня IoT для загальних бездротових середовищ. У дослідженні надається нова таксономія систем генерації ключів для IoT з класифікацією підходів за апаратним забезпеченням, що демонструє фундаментальну різницю в взаємодії пристроїв IoT за складовими: радіо, аудіо, камери, датчики IMU з інерційно вимірювальних блоків, різне обладнання та гібридні підходи. За допомогою такої таксономії користувачі можуть легко визначити найбільш підходящий метод для своїх сценаріїв застосування. Генерація ключів на основі фізичного рівня IoT отримала широкий дослідницький інтерес і застосовувалася з кількома бездротовими технологіями, такими як Wi-Fi, ZigBee, LoRa/LoRaWAN тощо.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Bala, D. Q., & Raman, B. (2020). PHY-based key agreement scheme using audio networking. 2020 International Conference on Communication Systems & Networks (COMSNETS), Bengaluru, India, 129–136. https://doi.org/10.1109/COMSNETS48256.2020.9027340

Bala, D. Q., Raman, B., Anees, A., & Chen, Y.-P. P. (2018). Discriminative binary feature learning and quantization in biometric key generation. Pattern Recognition, 77, 289–305.

Bansal, S., & Kumar, D. (2020). IoT ecosystem: A survey on devices, gateways, operating systems, middleware and communication. International Journal of Wireless Information Networks, 27(4), 1–25. https://doi.org/10.1007/s10776-020-00483-7

Bruesch, A., Le, N., Schürmann, D., Sigg, S., & Wolf, L. C. (2019). Security properties of gait for mobile device pairing. IEEE Transactions on Mobile Computing, 19(3).

Bruesch, A., Nguyen, L., Schürmann, D., Sigg, S., & Wolf, L. C. (2019). Security properties of gait for mobile device pairing. IEEE Transactions on Mobile Computing, 19(3). https://doi.org/10.1109/TMC.2019.2897933

Cabrera-Gutierrez, A. J., Castill, E., Escobar-Molero, A., Álvarez-Bermejo, J. A., Morales, D. P., & Parrilla, L. (2022). Integration of hardware security modules and permissioned blockchain in industrial IoT networks. IEEE Access, 10, 114331–114345. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3217815

Cheng, Q., Hsu, C., & Harn, L. (2020). Lightweight noninteractive membership authentication and group key establishment for WSNs. Mathematical Problems in Engineering, 2020, 1–9.

Dammak, M., Senouci, S. M., Messous, M. A., Elhdhili, M. H., & Gransart, C. (2020). Decentralized lightweight group key management for dynamic access control in IoT environments. IEEE Transactions on Network and Service Management, 17(3), 1742–1757.

Fomichev, M., Álvarez, F., Steinmetzer, D., Gardner-Stephen, P., & Hollick, M. (2017). Survey and systematization of secure device pairing. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 20(1), 517–550.

Frustaci, M., Pace, P., Aloi, G., & Fortino, G. (2018). Evaluating critical security issues of the IoT world: Present and future challenges. IEEE Internet of Things Journal, 5, 2483–2495. https://ieeexplore.ieee.org/document/8086136

Furtak, J. (2020). Cryptographic keys generating and renewing system for IoT network nodes: A concept. Sensors, 20(17), 5012. https://doi.org/10.3390/s20175012

Furtak, J., Zieliński, Z., & Chudzikiewicz, J. (2019). A framework for constructing a secure domain of sensor nodes. Sensors, 19(12), 2797. https://www.mdpi.com/1424-8220/19/12/2797

Han, J., Chung, A. J., Sinha, M. K., Harishankar, M., Pan, S., Noh, H. Y., Zhang, P., & Tague, P. (2018). Do you feel what I hear? Enabling autonomous IoT device pairing using different sensor types. 2018 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP), San Francisco, CA, USA, 836–852. IEEE.

Jiang, Q., Huang, X., Zhang, N., Zhang, K., Ma, X., & Ma, J. (2019). Shake to communicate: Secure handshake acceleration-based pairing mechanism for wrist-worn devices. IEEE Internet of Things Journal, 6(3), 5618–5630.

Klimushyn, P., Solianyk, T., Mozhaiev, O., Gnusov, Y., Manzhai, O., & Svitlychny, V. (2022). Crypto-resistant methods and random number generators in Internet of Things (IoT) devices. Innovative Technologies and Scientific Solutions for Industries, 2(20), 22–34. https://doi.org/10.30837/ITSSI.2022.20.022

Li, G., Zhang, Z., Zhang, J., & Hu, A. (2020). Encrypting wireless communications on the fly using one-time pad and key generation. IEEE Internet of Things Journal. https://doi.org/10.1109/JIOT.2020.3004451

Li, Z., Pei, Q., Markwood, I., Liu, Y., & Zhu, H. (2018). Secret key establishment via RSS trajectory matching between wearable devices. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 13, 802–817. https://doi.org/10.1109/TIFS.2017.2768020

Lin, Q., Xu, W., Lan, G., Cui, Y., Jia, H., Hu, W., Hassan, M., & Seneviratne, A. (2020). KEHKey: Kinetic energy harvester-based authentication and key generation for body area network. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 4(1), 1–26.

Lin, Q., Xu, W., Liu, J., Khamis, A., Hu, W., Hassan, M., & Seneviratne, A. (2019). H2B: Heartbeat-based secret key generation using piezo vibration sensors. Proceedings of the 18th International Conference on Information Processing in Sensor Networks, Montreal, Quebec, Canada, 265–276. ACM.

Lu, Y., Wu, F., Tang, S., Kong, L., & Chen, G. (2019). FREE: A fast and robust key extraction mechanism via inaudible acoustic signal. Proceedings of the 20th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, Catania, Italy, 311–320. ACM.

Moara-Nkwe, K., Shi, Q., Lee, G. M., & Eiza, M. H. (2018). A novel physical layer secure key generation and refreshment scheme for wireless sensor networks. IEEE Access, 6, 11374–11387. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2806423

Piccoli, A., Pahl, M.-O., Fries, S., & Sel, T. (2020). Ensuring consistency for asynchronous group-key management in the industrial IoT. Proceedings of the 16th International Conference on Network and Service Management (CNSM), Izmir, Turkey, 1–5. https://doi.org/10.23919/CNSM50824.2020.9269080

Pierson, T. J., Liang, X., Peterson, R., & Kotz, D. (2016). Wanda: Securely introducing mobile devices. Proceedings of IEEE INFOCOM 2016, San Francisco, CA, USA, 1–9. IEEE.

Prantl, T., Prantl, D., Bauer, A., Iffländer, L., Dmitrienko, A., Kounev, S., & Krupitzer, C. (2021). Benchmarking of pre- and post-quantum group encryption schemes with focus on IoT. Proceedings of the IEEE International Performance, Computing, and Communications Conference (IPCCC), 1–10.

Prantl, T., Zeck, T., Bauer, A., Ten, P., Prantl, D., Yahya, A. E. B., Iffländer, L., Dmitrienko, A., Krupitzer, C., & Kounev, S. (2022). A survey on secure group communication schemes with focus on IoT communication. IEEE Access, 10, 99944–99962. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3206451

Ruotsalainen, H., Zhang, J., & Grebeniuk, S. (2020). Experimental investigation on wireless key generation for low power wide area networks. IEEE Internet of Things Journal, 7(3), 1745–1755.

Samiullah, F., Gan, M.-L., Akleylek, S., & Aun, Y. (2023). Group key management: A systematic literature review. IEEE Access, 11, 77464–77491. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3298024

Shang, J., & Wu, J. (2020). AudioKey: A usable device pairing system using audio signals on smartwatches. International Journal of Security and Networks, 15(1), 46–58.

Shen, Y., Yang, F., Du, B., Xu, W., Luo, C., & Wen, H. (2018). Shake-n-Shack: Enabling secure data exchange between smart wearables via handshakes. 2018 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications (PerCom), 1–10. IEEE.

Sudarsono, A., Yuliana, M., Kristalina, P., & Barakbah, A. R. (2018). An implementation of shared key generation extracted from received signal strength in vehicular ad-hoc communication. Proceedings of the 2018 Sixth International Symposium on Computing and Networking (CANDAR), Takayama, Japan, 57–65.

Tian, Y., Wang, Z., Xiong, J., & Ma, J. (2020). A blockchain-based secure key management scheme with trustworthiness in DWSNs. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16, 6193–6202. https://doi.org/10.1109/TII.2020.2965975

Wang, Q., Kang, M., Wu, G., Ren, Y., & Su, C. (2020). A practical secret key generation scheme based on wireless channel characteristics for 5G networks. IEICE Transactions on Information and Systems, 103(2), 230–238.

Wu, Y., Lin, Q., Jia, H., Hassan, M., & Hu, W. (2020). Auto-Key: Using autoencoder to speed up gait-based key generation in body area networks. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 4(1), 1–23.

Xi, W., Qian, C., Han, J., Zhao, K., Zhong, S., Li, X.-Y., & Zhao, J. (2016). Instant and robust authentication and key agreement among mobile devices. Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security, Vienna, Austria, 616–627. ACM.

Xie, P., Feng, J., Cao, Z., & Wang, J. (2018). GeneWave: Fast authentication and key agreement on commodity mobile devices. IEEE/ACM Transactions on Networking, 26(4), 1688–1700.

Xu, G., Adetifa, O., Mao, J., Sakk, E., & Wang, S. (2025). Developing quantum trusted platform module (QTPM) to advance IoT security. Future Internet, 17(5), 193. https://doi.org/10.3390/fi17050193

Xu, W., Jha, S., & Hu, W. (2019). LoRa-Key: Secure key generation system for LoRa-based network. IEEE Internet of Things Journal, 6(4), 6404–6416.

Xu, W., Zhang, J., Huang, S., Luo, C., & Li, W. (2022). Key generation for Internet of Things: A contemporary survey. ACM Computing Surveys, 14, 1–37. https://doi.org/10.1145/3429740

Yuliana, M., Wirawan, & Suwadi. (2019). A simple secret key generation by using a combination of pre-processing method with a multilevel quantization. Entropy, 21, 192. https://doi.org/10.3390/e21020192

Yuliana, M., Wirawan, & Suwadi. (2019). An efficient key generation for the Internet of Things based synchronized quantization. Sensors, 19(12). https://doi.org/10.3390/s19122674

Yuliana, M., Wirawan, & Suwadi. (2019). Performance analysis of loss level quantization on the secret key generation scheme in indoor wireless environment. International Journal of Advanced Science, Engineering and Information Technology, 9, 100–108. https://doi.org/10.18517/ijaseit.9.1.7583

Zhan, F., Yao, N., Gao, Z., & Yu, H. (2018). Efficient key generation leveraging wireless channel reciprocity for MANETs. Journal of Network and Computer Applications, 103, 18–28. https://doi.org/10.1016/j.jnca.2017.11.014

Zhang, J., Ding, M., López-Pérez, D., Marshall, A., & Hanzo, L. (2019). Design of an efficient OFDMA-based multi-user key generation protocol. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 68(9), 8842–8852.

Zhang, J., Li, G., Marshall, A., Hu, A., & Hanzo, L. (2020). A new frontier for IoT security emerging from three decades of key generation relying on wireless channels. IEEE Access, 8, 138406–138446. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3012006

Zhang, J., Rajendran, S., Sun, Z., Woods, R., & Hanzo, L. (2019). Physical layer security for the Internet of Things: Authentication and key generation. IEEE Wireless Communications, 26(5), 92–98.

Zhang, J., Wang, Z., Yang, Z., & Zhang, Q. (2017). Proximity-based IoT device authentication. Proceedings of IEEE INFOCOM 2017, Atlanta, GA, USA, 1–9. IEEE.

Zhang, J., Woods, R., Duong, T. Q., Marshall, A., Ding, Y., Huang, Y., & Xu, Q. (2016). Experimental study on key generation for physical layer security in wireless communications. IEEE Access, 4, 4464–4477.

Klimushyn, P. S. (2025). Communication technologies and specialised communication protocols for ensuring cybersecurity of the Internet of Things. Law and Safety, 2(97), 52–68. https://doi.org/10.32631/pb.2025.2.05

Klimushyn, P. S. (2025). Problematic aspects of IoT cybersecurity standardisation. Law and Safety, 1(96), 53–66. https://doi.org/10.32631/pb.2025.1.05

Klimushyn, P., Svitlychnyi, V., Gnusov, Y., & Onyshchenko, Y. (2025). Automotive electronics and cybersecurity: A systematic review of security attacks and countermeasures. Cybersecurity: Education, Science, Technology, 4(28), 115–136. https://doi.org/10.28925/2663-4023.2025.28.760