Secure Gateway for the Internet of Things

Abstract

Internet of Things (IoT) devices includes connected devices such as industrial embedded devices, vehicles, smart home appliance, sensors, and actuators. Even non-internet-enabled physical devices can be part of the IoT system through gateways. IoT platforms are getting the attraction of the attackers because of the security weakness of the constrained devices. They can use the IoT devices for DDOS attacking or directly attack the device to damage the overall system. Since several communication industry standard protocols such as MQTT, AMQP, and COAP can be utilized in an environment, communication between devices can be provided through a broker. Unencrypted communications can be sniffed therefore username and passwords can be stolen, or message can be modified by the attacker. We need to provide secure authentication and encrypted communication in order to make the systems secure. One way is the utilization of TLS based approaches can be utilized, but memory constrained devices cannot handle asymmetric encryption algorithms. In this paper, we propose a new approach for IoT gateways with utilization of a secure element has storage for keys, true random generator and FIPS standard AES 128 bit encryption capability. We utilized the secure element/chip in two different embedded devices to test the approach and measure performances. We developed a new embedded device includes ARM Cortex M0 for this study and also utilize a demo card includes ARM Cortex M3. We also propose a new method utilizes physical I²C property of the ARM Cortex M3 to provide fast and secure communication. The approach includes a new authentication method and encrypted communication based on the secure element’s properties. We also investigate on the message integrity based on the cryptographic hash and cyclic redundancy check algorithms.

Keywords

• Internet of Things,Authentication,Encryption,ModBus,Embedded Software

Nesnelerin İnterneti için Güvenli Ağ Geçidi

Öz

Öz

Nesnelerin interneti cihazları, endüstriyel gömülü sistemler, araçlar, akıllı ev aygıtları, sensörler ve işleticiler gibi birbirine bağlı cihazlardan meydana gelmektedir. İnternete bağlanma imkanı olmayan cihazlar dahi ağ geçitleri sayesinde bir nesnelerin interneti sisteminin parçası olabilmektedirler. Nesnelerin interneti sistemleri gömülü sistemlerin sahipi oldukları donanım sınırları nedeni ile saldırganların hedefi olmaya başladı. Saldırganlar bu cihazları DDOS ataklarından kulllanabilmekte veya doğrudan ilgili cihaza yapılan saldırılar ile bağlı oldukları sistemlerde çok ciddi hasarlara neden olabilmektedirler. Bir ortamda birden fazla MQTT, AMQP, ve COAP gibi iletişim protokolünün kullanılması nedeni ile cihazlar arasındaki iletişimde aracı olarak bir aracı/broker kullanılabilir. Saldırganlar şifresiz iletişimin bir sonucu olarak kullanıcı adı ve parolası gibi bilgiler ağ üzerinden elde edilebilmekte ya da mesaj içerikleri değiştirebilmektedirler. Sistemin güvenli hale getirmek için güvenli yetkilendirme ve şifreli iletişimi sağlamamız gerekmektedir. TLS tabanlı yaklaşımlar uygulanabilir. Ancak, gömülü sistemlerin bellek gibi kısıtları nedeni ile asimetrik şifreleme yaklaşımlarının uygulamakta güçlük çekilmektedir. Bu makalemizde nesnelerin internet ağ geçitleri için güvenli anahtar depolama, gerçek rastgele üretici ve FIPS standartlarına uygun olarak 128 bit AES şifreleme/çözme özelliklerine sahip olan bir chipi baz alan bir yaklaşım önerilmektedir.  İki farklı gömülü sistem donanımında güvenlik chipi kullanılarak yaklaşım test edildi ve performans değerleri ölçüldü. Bu çalışma için ARM Cortex M0 işlemcisine dahip yeni bir gömülü system cihazı geliştirildi ayrıca ARM Cortex M3 işlemcisine dahip bir demo kart kullanıldı. Sunulan çalışmada ayrıca ARM Cortex M3’ün sahip olduğu fiziksel I2C özelliğini kullanan önerdiğimiz bir metod ile düşük boyuttaki mesajlar için hızlı ve şifreli iletişim imkanı elde ettik. Yaklaşım, chipin özelliklerini kullanan yeni kimlik doğrulama ve şifreli iletişim metodlarını içermektedir. Ayrıca, mesajların bütünlüğüne yönelik olarak kriptoğrafik hash ve çevrimsel fazlalık sınaması algoritmaları kullanıldı.

Anahtar Kelimeler

• Nesnelerin interneti,ModBus,Şifreleme,Kimlik doğrulama,Gömülü sistemler

Kaynakça

1. ATAES132A. (n.d.). Retrieved from http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATAES132A-Data-Sheet-40002023A.pdf
2. Banks, A., & Gupta, R. (n.d.). MQTT Version 3.1.1. Retrieved from https://www.oasis-open.org/news/announcements/mqtt-version-3-1-1-becomes-an-oasis-standard
3. Bassham, L. E. (2002). The Advanced Encryption Standard Algorithm Validation Suite (AESAVS). Retrieved from http://csrc.nist.gov/groups/STM/cavp/documents/aes/AESAVS.pdf
4. Bormann, C., Ersue, M., & Keränen, A. (2014, May). Terminology for Constrained-Node Networks. RFC Editor. http://doi.org/10.17487/RFC7228
5. Choi, S. K., Yang, C. H., & Kwak, J. (2018). System hardening and security monitoring for IoT devices to mitigate IoT security vulnerabilities and threats. KSII Transactions on Internet and Information Systems, 12(2), 906–918. http://doi.org/10.3837/tiis.2018.02.022
6. Chowdhury, F. S., Istiaque, A., Mahmud, A., & Miskat, M. (2018). An implementation of a lightweight end-to-end secured communication system for patient monitoring system. In 2018 Emerging Trends in Electronic Devices and Computational Techniques (EDCT) (pp. 1–5). http://doi.org/10.1109/EDCT.2018.8405076
7. Digikey. (n.d.). Retrieved December 20, 2018, from https://www.digikey.com
8. Dworkin, M. (n.d.). NIST Special Publication 800-38C: Recommendation for Block Cipher Modes of Operation: The CCM Mode for Authentication and Confidentiality. Retrieved from https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nistspecialpublication800-38c.pdf

9. Eclipse Paho. (n.d.). Retrieved from https://www.eclipse.org/paho/
10. Ettercap. (n.d.). Retrieved December 20, 2018, from https://www.ettercap-project.org/
11. Fathy, A., Tarrad, I. F. I. F., Hamed, H. F. A. H. F. A., & Awad, A. I. A. I. (2012). Advanced Encryption Standard Algorithm: Issues and Implementation Aspects. In Communications in Computer and Information Science. http://doi.org/10.1007/978-3-642-35326-0
12. FIPS 197: Announcing the ADVANCED ENCRYPTION STANDARD (AES). (2001). Retrieved from http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf
13. Fusesource MQTT Client. (n.d.). Retrieved from https://github.com/fusesource/mqtt-client
14. Huitsing, P., Chandia, R., Papa, M., & Shenoi, S. (2008). Attack taxonomies for the Modbus protocols. International Journal of Critical Infrastructure Protection, 1, 37–44. http://doi.org/10.1016/J.IJCIP.2008.08.003
15. Ionescu, V. M. (2015). The analysis of the performance of RabbitMQ and ActiveMQ. In 2015 14th RoEduNet International Conference - Networking in Education and Research, RoEduNet NER 2015 - Proceedings (pp. 132–137). Craiova Romania. http://doi.org/10.1109/RoEduNet.2015.7311982
16. ISO/IEC 19464:2014: Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) 1.0. (2014). Retrieved from http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=64955
17. Katsikeas, S. (2016). A lightweight and secure MQTT implementation for Wireless Sensor Nodes. Technical University of Crete. Technical University of Crete.
18. King, J., & Awad, A. I. (2016). A distributed security mechanism for Resource-Constrained IoT Devices A Distributed Security Mechanism for Resource-Constrained IoT Devices, 40(June), 133–143.
19. MbedTLS. (n.d.). Retrieved from https://tls.mbed.org
20. Modbus. (n.d.). Retrieved November 21, 2018, from http://www.modbus.org
21. Mosquitto. (n.d.). Retrieved December 19, 2018, from https://mosquitto.org/
22. Naik, S., & Maral, V. (2018). Cyber security - IoT. RTEICT 2017 - 2nd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information and Communication Technology, Proceedings, 2018–Janua, 764–767. http://doi.org/10.1109/RTEICT.2017.8256700
23. Oliveira, C. T., Moreira, R., de Oliveira Silva, F., Miani, R. S., & Rosa, P. F. (2018). Improving Security on IoT Applications Based on the FIWARE Platform. In 2018 IEEE 32nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications (AINA) (pp. 686–693). http://doi.org/10.1109/AINA.2018.00104
24. OWASP IoT Vulnerabilities. (n.d.). Retrieved from https://www.owasp.org/index.php/OWASP_Internet_of_Things_Project#tab=IoT_Vulnerabilities
25. Petit, C., Standaert, F.-X., Pereira, O., Malkin, T., & Yung, M. (2007). A Block Cipher based PRNG Secure Against Side-Channel Key Recovery. In AsiaCCS (pp. 1–22). Retrieved from http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.74.4352%5Cnhttps://eprint.iacr.org/2007/356.pdf
26. Schwabe, P., & Stoffelen, K. (2016). All the AES You Need on Cortex-M3 and M4. IACR Cryptology EPrint Archive, 2016, 714.
27. TinyCrypt. (n.d.). Retrieved from https://01.org/tinycrypt
28. Urbina, M., Astarloa, A., Lázaro, J., Bidarte, U., Villalta, I., & Rodriguez, M. (2017). Cyber-Physical Production System Gateway Based on a Programmable SoC Platform. IEEE Access, 5, 20408–20417. http://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2757048
29. Vrettos, G., Logaras, E., & Kalligeros, E. (2018). Towards Standardization of MQTT-Alert-based Sensor Networks: Protocol Structures Formalization and Low-End Node Security. In 2018 IEEE 13th International Symposium on Industrial Embedded Systems (SIES) (pp. 1–4). http://doi.org/10.1109/SIES.2018.8442109
30. Wardhani, R. W., Ogi, D., Syahral, M., & Septono, P. D. (2017). Fast implementation of AES on Cortex-M3 for security information devices. In 2017 15th International Conference on Quality in Research (QiR) : International Symposium on Electrical and Computer Engineering (pp. 241–244). http://doi.org/10.1109/QIR.2017.8168489
31. Whiting, D., Housley, R., & Ferguson, N. (2003). Counter with CBC-MAC (CCM). United States: RFC Editor.