Securing Cyber-Physical Social Interactions on Wrist-worn Devices

Since ancient Greece, handshaking has been commonly practiced between two people as a friendly gesture to express trust and respect, or form a mutual agreement. In this article, we show that such physical contact can be used to bootstrap secure cyber contact between the smart devices worn by users. The key observation is that during handshaking, although belonged to two different users, the two hands involved in the shaking events are often rigidly connected, and therefore exhibit very similar motion patterns. We propose a novel key generation system, which harvests motion data during user handshaking from the wrist-worn smart devices such as smartwatches or fitness bands, and exploits the matching motion patterns to generate symmetric keys on both parties. The generated keys can be then used to establish a secure communication channel for exchanging data between devices. This provides a much more natural and user-friendly alternative for many applications, e.g., exchanging/sharing contact details, friending on social networks, or even making payments, since it doesn’t involve extra bespoke hardware, nor require the users to perform pre-defined gestures. We implement the proposed key generation system on off-the-shelf smartwatches, and extensive evaluation shows that it can reliably generate 128-bit symmetric keys just after around 1s of handshaking (with success rate >99%), and is resilient to different types of attacks including impersonate mimicking attacks, impersonate passive attacks, or eavesdropping attacks. Specifically, for real-time impersonate mimicking attacks, in our experiments, the Equal Error Rate (EER) is only 1.6% on average. We also show that the proposed key generation system can be extremely lightweight and is able to run in-situ on the resource-constrained smartwatches without incurring excessive resource consumption

Secure key design approaches using entropy harvesting in wireless sensor network: A survey

Physical layer based security design in wireless sensor networks have gained much importance since the past decade. The various constraints associated with such networks coupled with other factors such as their deployment mainly in remote areas, nature of communication etc. are responsible for development of research works where the focus is secured key generation, extraction, and sharing. Keeping the importance of such works in mind, this survey is undertaken that provides a vivid description of the different mechanisms adopted for securely generating the key as well its randomness extraction and also sharing. This survey work not only concentrates on the more common methods, like received signal strength based but also goes on to describe other uncommon strategies such as accelerometer based. We first discuss the three fundamental steps viz. randomness extraction, key generation and sharing and their importance in physical layer based security design. We then review existing secure key generation, extraction, and sharing mechanisms and also discuss their pros and cons. In addition, we present a comprehensive comparative study of the recent advancements in secure key generation, sharing, and randomness extraction approaches on the basis of adversary, secret bit generation rate, energy efficiency etc. Finally, the survey wraps up with some promising future research directions in this area

Shake-n-shack : enabling secure data exchange between Smart Wearables via handshakes

Since ancient Greece, handshaking has been commonly practiced between two people as a friendly gesture to express trust and respect, or form a mutual agreement. In this paper, we show that such physical contact can be used to bootstrap secure cyber contact between the smart devices worn by users. The key observation is that during handshaking, although belonged to two different users, the two hands involved in the shaking events are often rigidly connected, and therefore exhibit very similar motion patterns. We propose a novel Shake-n-Shack system, which harvests motion data during user handshaking from the wrist worn smart devices such as smartwatches or fitness bands, and exploits the matching motion patterns to generate symmetric keys on both parties. The generated keys can be then used to establish a secure communication channel for exchanging data between devices. This provides a much more natural and user-friendly alternative for many applications, e.g., exchanging/sharing contact details, friending on social networks, or even making payments, since it doesn't involve extra bespoke hardware, nor require the users to perform pre-defined gestures. We implement the proposed Shake-n-Shack 1 system on off-the-shelf smartwatches, and extensive evaluation shows that it can reliably generate 128-bit symmetric keys just after around 1s of handshaking (with success rate >99%), and is resilient to real-time mimicking attacks: in our experiments the Equal Error Rate (EER) is only 1.6% on average. We also show that the proposed Shake-n-Shack system can be extremely lightweight, and is able to run in-situ on the resource-constrained smartwatches without incurring excessive resource consumption

Gait-Based Smart Pairing System for Personal Wearable Devices

With the rapid development of embedded technology and mobile computing, we have seen a growing number of Internet of Things (IoT) devices on the market. As the number of wearable devices belonging to the same user increases rapidly, secure pairing between legitimate devices becomes an important research problem. In this chapter, we propose the first gait-based shared key generation system that assists two devices to generate a common secure key by exploiting the user’s unique walking pattern. The system is based on the fact that sensors on different positions of the same user exhibit similar accelerometer signal when the user is walking. Therefore, the acceleration can be used as a shared secret information to generate a common key on different devices independently. Our experimental results show that the key generated by two independent devices on the same body is able to achieve 100% bit agreement rate. The proposed key generation protocol can establish a 128-bit key in 5 s (about 10 steps) with entropy varying from 0.93 to 1. We also find that the proposed scheme can run in real time on modern smartphone and require low system cost

Securing Wireless Communications of the Internet of Things from the Physical Layer, An Overview

The security of the Internet of Things (IoT) is receiving considerable interest as the low power constraints and complexity features of many IoT devices are limiting the use of conventional cryptographic techniques. This article provides an overview of recent research efforts on alternative approaches for securing IoT wireless communications at the physical layer, specifically the key topics of key generation and physical layer encryption. These schemes can be implemented and are lightweight, and thus offer practical solutions for providing effective IoT wireless security. Future research to make IoT-based physical layer security more robust and pervasive is also covered

Lightweight Information Security Methods for Indoor Wireless Body Area Networks: from Channel Modeling to Secret Key Extraction

A group of wirelessly communicating sensors that are placed inside, on or around a human body constitute a Wireless Body Area Network (WBAN). Continuous monitoring of vital signs through WBANs have a potential to revolutionize current health care services by reducing the cost, improving accessibility, and facilitating medical diagnosis. However, sensitive nature of personal health data requires WBANs to integrate appropriate security methods and practices. As limited hardware resources make conventional security measures inadequate in a WBAN context, this work is focused on alternative techniques based on Wireless Physical Layer Security (WPLS). More specifically, we introduce a symbiosis of WPLS and Compressed Sensing to achieve security at the time of sampling. We successfully show how the proposed framework can be applied to electrocardiography data saving significant computational and memory resources. In the scenario when a WBAN Access Point can make use of diversity methods in the form of Switch-and-Stay Combining, we demonstrate that output Signal-to-Noise Ratio (SNR) and WPLS key extraction rate are optimized at different switching thresholds. Thus, the highest key rate may result in significant loss of output SNR. In addition, we also show that the past WBAN off-body channel models are insufficient when the user exhibits dynamic behavior. We propose a novel Rician based off-body channel model that can naturally reflect body motion by randomizing Rician factor K and considering small and large scale fading to be related. Another part of our investigation provides implications of user\u27s dynamic behavior on shared secret generation. In particular, we reveal that body shadowing causes negative correlation of the channel exposing legitimate participants to a security threat. This threat is analyzed from a qualitative and quantitative perspective of a practical secret key extraction algorithm

Towards Practical and Secure Channel Impulse Response-based Physical Layer Key Generation

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internet-fähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird