低コストデバイス向けの新しいソフトウェアセキュリティ

インターネットに接続するデバイスが増える中、扱うデータの保護がめっちゃ大事になってきたんだ。これらのデバイス、いわゆるIoTデバイスは、センシティブな情報を扱ってるから、データセキュリティを確保するのがプライバシーや安全性のためにすごく重要なんだよね。

データを守るためのハードウェアソリューションはいくつかあるけど、低コストなデバイスには高すぎることが多い。多くのデバイスにはセキュリティ機能が搭載されてないから、攻撃に対して弱いんだ。この記事では、特にこういったデバイス向けに設計されたソフトウェアベースのセキュリティアプローチを紹介するよ。特別なハードウェアなしで安全に動作できるんだ。

#保護の必要性

今の時代、何百万もの組み込みデバイスが使われてる。これらのデバイスは貴重なサービスを作る手助けをするけど、リスクも伴う。センシティブなデータを集めたり管理したりすることができるから、ちゃんと保護しなきゃいけない。脆弱なままだと、そのデータがアクセスされたり悪用されたりする可能性があるんだ。

データを守るための一般的な方法の一つが、Trusted Execution Environments（TEE）を使うこと。TEEはアプリケーションやデータを安全に保つんだけど、ほとんどのTEEは特定のハードウェアに依存してるから、安価なデバイスでは利用できないことが多い。だから、多くの低コストデバイスはこの保護を受けられないんだ。

今は、このギャップを埋めるためのソフトウェアベースのソリューションが開発されてる。ハードウェアソリューションとは違って、ソフトウェアベースのTEEは簡単にアップデートできるし、特定のハードウェアに依存しないから、低価格のデバイスに適してる。だけど、多くのソフトウェアベースのシステムはハードウェア攻撃を考慮していないから、物理的にアクセスされると危険なんだ。

#新しいソフトウェアアプローチ

ハードウェアと既存のソフトウェアソリューションの限界を認識して、新しいソフトウェアベースのセキュリティアプローチが開発された。このアプローチは、ネットワークに接続された組み込みデバイスのソフトウェアとデータを保護するための軽量なメカニズムを提供することに焦点を当てている。メモリの整合性を継続的に検証し、予期しない変更があった場合の解決策を提供する。

アプリケーションコードは暗号化されて、改ざんに強くなり、検証プロセスの信頼性を確保する。データを保護するために軽量な暗号アルゴリズムが使われる。この新しいセキュリティフレームワークは、パフォーマンスを損なうことなく低価格のデバイスで効果的に機能するように設計されている。

#攻撃シナリオと前提条件

セキュリティシステムを開発する際には、潜在的な脅威を理解することが重要だ。ここでは、デバイスに直接アクセスできる攻撃者を考える。彼らはアプリケーションコードを変更してデータを読み取ったり、変更したりすることができる。さらに、ネットワーク通信を傍受してデバイス間のメッセージを変更することもできる。

これらのデバイスに使われるソフトウェアは信頼できるパーティによって正しくセットアップされていると仮定されているし、バグなしで動作することも期待されてる。このシナリオでは、攻撃者がセキュリティ対策を回避したりコードの検証プロセスに干渉したりすることはできない。各デバイスは、データを安全にするために必要な暗号化キーを計算するためのメソッドを持っていることも仮定されている。

#アーキテクチャの概要

提案されたセキュリティアーキテクチャは、中央ゲートウェイ内で動作するコンピューティングモジュールから成る。このモジュールは、さまざまな接続ノードで動作するアプリケーションを監視する。それぞれのノードには、アプリケーションコードの整合性を確保するためのエージェントがいる。このエージェントはコードのデジタル署名を生成し、検証のためにコンピューティングモジュールに送信する。

アプリケーションコードとコンピューティングモジュールおよびエージェント間で交換されるメッセージは、追加のセキュリティのために暗号化される。このアーキテクチャの主なコンポーネントは次の通り：

#App Manager

このコンポーネントはノードのアプリケーションとやり取りする。アプリのアップデートやノードとゲートウェイ間のデータ交換を管理する。

#Key Manager

Key Managerは、コンピューティングモジュールとそのエージェント間の通信を守るためのキーの生成と更新を管理する。このプロセスを円滑にするためにキー交換プロトコルを使用する。

#Crypto

このモジュールは暗号サービスを提供する。暗号化、復号化、メッセージ認証コード（MAC）の作成ができる。App Managerは、アプリケーションコードをノードに送信する前に暗号化するためにこのコンポーネントを使い、安全なアップデートを保証する。

#Integrity Checker

Integrity Checkerはメモリを監視して、データが変更されていないことを確認する。データが保存されている場所を記録し、ノードのコードの整合性を定期的にチェックする。

#Logger

Loggerはメモリの状態、接続されているノード、ネットワークアクティビティの記録を維持する。これにより、潜在的な攻撃や不正アクセスの試みを検出するのに役立つ。

#App Thread

App Threadはユーザーが開発したアプリケーションコードを実行し、基盤となるソフトウェアやハードウェアへのインターフェースを提供する。すべてのやり取りは、このインターフェースを通じて行わなければセキュリティが維持できない。

#データ保護メカニズム

メモリに保存されたデータは、安全に保たれなきゃいけない。これがシステムの正常な動作を保証するから。このアーキテクチャはメモリの整合性に取り組んで、機密情報への不正アクセスや変更を防ぐ。

データが保存されるとき、2つの情報が保存される：実際のデータと整合性チェックと呼ばれるデータ。整合性チェックはメッセージ認証コード（MAC）を使って作成され、データが変更されていないことを確認する。Integrity Checkerだけが情報が保存されている場所を知っているから、攻撃者がデータを改ざんするのが一段と難しくなる。

MACを使うことでデータを検証する安全な方法が提供される。なぜなら、そのプロセスに秘密のキーが使われるから。つまり、正しい整合性チェックを作成できるのは認可された当事者だけで、攻撃者がデータのセキュリティを偽造するのが難しくなる。

#アプリケーション保護戦略

データの機密性を超えて、ノードに保存されたアプリケーションコードの整合性を確保することも重要だ。アプリケーションコードは暗号化され、実行中にだけ復号化される。挑戦応答の方法でコードの整合性がチェックされる。ゲートウェイはノードに暗号化された挑戦を送り、ノードは正しい応答をしなきゃコードが変更されていないことを証明できない。ノードが期待通りに応答できない場合、システムはそれが侵害されているとみなし、適切な行動を取る。

#キー更新プロセス

時間とともにセキュリティを維持するために、暗号化キーを定期的に更新することが重要だ。アプリケーションを更新する前に、コードを暗号化するために使われるキーがリフレッシュされる。この更新プロセスは、更新のプロンプトがなくても行うことができて、暗号化が安全なままに保たれる。

#軽量暗号アルゴリズム

このアーキテクチャの目標が低コストのデバイスをサポートすることだから、軽量暗号アルゴリズムに依存している。これらのアルゴリズムは、広範なリソースを必要とせずに効果的に機能しなきゃいけない。テスト中に、2つのNIST軽量暗号アルゴリズムを評価して、その適合性を確かめた。

結果は、一方のアルゴリズムが速度とリソース使用に関してもう一方よりも優れていることを示した。この発見は、セキュリティを確保しつつパフォーマンスを犠牲にしないためには、暗号化方法の慎重な選択が重要であることを示している。

#実装とテスト

提案されたアーキテクチャは現在、その効果を検証するために実装中だ。プロトタイプを設定して、リアルな環境での性能をテストする予定。プロトタイプには、コンピューティングモジュールから動作するゲートウェイが含まれ、エージェントやアプリケーションが展開される複数のノードが接続される。

分散環境でシステムをテストすることで、ゲートウェイとノード間の通信やデータ交換のプラクティスを評価できる。潜在的な課題を特定することで、アーキテクチャがセキュリティ対策をよりよく扱えるように改良できる。

要するに、この作業は、ハードウェアの変更なしで重要な保護を提供するソフトウェアベースのセキュリティシステムを低コストの組み込みデバイスに対応させることを紹介している。プロジェクトが進むにつれて、リアルなシナリオでのパフォーマンスと効率を評価するためのさらなるテストが行われる予定だ。