Privacy-aware Security Applications in the Era of Internet of Things

In this dissertation, we introduce several novel privacy-aware security applications. We split these contributions into three main categories: First, to strengthen the current authentication mechanisms, we designed two novel privacy-aware alternative complementary authentication mechanisms, Continuous Authentication (CA) and Multi-factor Authentication (MFA). Our first system is Wearable-assisted Continuous Authentication (WACA), where we used the sensor data collected from a wrist-worn device to authenticate users continuously. Then, we improved WACA by integrating a noise-tolerant template matching technique called NTT-Sec to make it privacy-aware as the collected data can be sensitive. We also designed a novel, lightweight, Privacy-aware Continuous Authentication (PACA) protocol. PACA is easily applicable to other biometric authentication mechanisms when feature vectors are represented as fixed-length real-valued vectors. In addition to CA, we also introduced a privacy-aware multi-factor authentication method, called PINTA. In PINTA, we used fuzzy hashing and homomorphic encryption mechanisms to protect the users\u27 sensitive profiles while providing privacy-preserving authentication. For the second privacy-aware contribution, we designed a multi-stage privacy attack to smart home users using the wireless network traffic generated during the communication of the devices. The attack works even on the encrypted data as it is only using the metadata of the network traffic. Moreover, we also designed a novel solution based on the generation of spoofed traffic. Finally, we introduced two privacy-aware secure data exchange mechanisms, which allow sharing the data between multiple parties (e.g., companies, hospitals) while preserving the privacy of the individual in the dataset. These mechanisms were realized with the combination of Secure Multiparty Computation (SMC) and Differential Privacy (DP) techniques. In addition, we designed a policy language, called Curie Policy Language (CPL), to handle the conflicting relationships among parties. The novel methods, attacks, and countermeasures in this dissertation were verified with theoretical analysis and extensive experiments with real devices and users. We believe that the research in this dissertation has far-reaching implications on privacy-aware alternative complementary authentication methods, smart home user privacy research, as well as the privacy-aware and secure data exchange methods

Combating cyber attacks in cloud computing using machine learning techniques.

An extensive investigative survey on Cloud Computing with the main focus on gaps that is slowing down Cloud adoption as well as reviewing the threat remediation challenges. Some experimentally supported thoughts on novel approaches to address some of the widely discussed cyber-attack types using machine learning techniques. The thoughts have been constructed in such a way so that Cloud customers can detect the cyber-attacks in their VM without much help from Cloud service provide

An architecture for secure data management in medical research and aided diagnosis

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e as Comunicacións. 5032V01[Resumo] O Regulamento Xeral de Proteccion de Datos (GDPR) implantouse o 25 de maio de 2018 e considerase o desenvolvemento mais importante na regulacion da privacidade de datos dos ultimos 20 anos. As multas fortes definense por violar esas regras e non e algo que os centros sanitarios poidan permitirse ignorar. O obxectivo principal desta tese e estudar e proponer unha capa segura/integracion para os curadores de datos sanitarios, onde: a conectividade entre sistemas illados (localizacions), a unificacion de rexistros nunha vision centrada no paciente e a comparticion de datos coa aprobacion do consentimento sexan as pedras angulares de a arquitectura controlar a sua identidade, os perfis de privacidade e as subvencions de acceso. Ten como obxectivo minimizar o medo a responsabilidade legal ao compartir os rexistros medicos mediante o uso da anonimizacion e facendo que os pacientes sexan responsables de protexer os seus propios rexistros medicos, pero preservando a calidade do tratamento do paciente. A nosa hipotese principal e: os conceptos Distributed Ledger e Self-Sovereign Identity son unha simbiose natural para resolver os retos do GDPR no contexto da saude? Requirense solucions para que os medicos e investigadores poidan manter os seus fluxos de traballo de colaboracion sen comprometer as regulacions. A arquitectura proposta logra eses obxectivos nun ambiente descentralizado adoptando perfis de privacidade de datos illados.[Resumen] El Reglamento General de Proteccion de Datos (GDPR) se implemento el 25 de mayo de 2018 y se considera el desarrollo mas importante en la regulacion de privacidad de datos en los ultimos 20 anos. Las fuertes multas estan definidas por violar esas reglas y no es algo que los centros de salud puedan darse el lujo de ignorar. El objetivo principal de esta tesis es estudiar y proponer una capa segura/de integración para curadores de datos de atencion medica, donde: la conectividad entre sistemas aislados (ubicaciones), la unificacion de registros en una vista centrada en el paciente y el intercambio de datos con la aprobacion del consentimiento son los pilares de la arquitectura propuesta. Esta propuesta otorga al titular de los datos un rol central, que le permite controlar su identidad, perfiles de privacidad y permisos de acceso. Su objetivo es minimizar el temor a la responsabilidad legal al compartir registros medicos utilizando el anonimato y haciendo que los pacientes sean responsables de proteger sus propios registros medicos, preservando al mismo tiempo la calidad del tratamiento del paciente. Nuestra hipotesis principal es: .son los conceptos de libro mayor distribuido e identidad autosuficiente una simbiosis natural para resolver los desafios del RGPD en el contexto de la atencion medica? Se requieren soluciones para que los medicos y los investigadores puedan mantener sus flujos de trabajo de colaboracion sin comprometer las regulaciones. La arquitectura propuesta logra esos objetivos en un entorno descentralizado mediante la adopcion de perfiles de privacidad de datos aislados.[Abstract] The General Data Protection Regulation (GDPR) was implemented on 25 May 2018 and is considered the most important development in data privacy regulation in the last 20 years. Heavy fines are defined for violating those rules and is not something that healthcare centers can afford to ignore. The main goal of this thesis is to study and propose a secure/integration layer for healthcare data curators, where: connectivity between isolated systems (locations), unification of records in a patientcentric view and data sharing with consent approval are the cornerstones of the proposed architecture. This proposal empowers the data subject with a central role, which allows to control their identity, privacy profiles and access grants. It aims to minimize the fear of legal liability when sharing medical records by using anonymisation and making patients responsible for securing their own medical records, yet preserving the patient’s quality of treatment. Our main hypothesis is: are the Distributed Ledger and Self-Sovereign Identity concepts a natural symbiosis to solve the GDPR challenges in the context of healthcare? Solutions are required so that clinicians and researchers can maintain their collaboration workflows without compromising regulations. The proposed architecture accomplishes those objectives in a decentralized environment by adopting isolated data privacy profiles

Healthcare systems protection: All-in-one cybersecurity approach

Cyber risks are increasingly widespread as healthcare organizations play a defining role in society. Several studies have revealed an increase in cybersecurity threats in the industry, which should concern us all. When it comes to cybersecurity, the consequences can be felt throughout the organization, from the smallest processes to the overall ability of the organization to function. Typically, a cyberattack results in the disclosure of confidential information that undermines your competitive advantage and overall trust. Healthcare as a critical sector has, like many other sectors, a late bet on its transformation to cybersecurity across the board. This dissertation reinforces this need by presenting a value-added solution that helps strengthen the internal processes of healthcare units, enabling their primary mission of saving lives while ensuring the confidentiality and security of patient and institutional data. The solution is presented as a technological composite that translates into a methodology and innovative artifact for integration, monitoring, and security of critical medical infrastructures based on operational use cases. The approach that involves people, processes, and technology is based on a model that foresees the evaluation of potential assets for integration and monitoring, as well as leveraging the efficiency in responding to security incidents with the formal development of a process and mechanisms for alert and resolution of exposure and attack scenarios. On a technical level, the artifact relies on the integration of a medical image archiving system (PACS) into a SIEM to validate application logs that are linked to rules to map anomalous behaviors that trigger the incident management process on an IHS platform with custom-developed features. The choice for integration in the validation prototype of the PACS system is based not only on its importance in the orchestration of activities in the organization of a health institution, but also with the recent recommendations of various cybersecurity agencies and organizations for the importance of their protection in response to the latest trends in cyberattacks. In line with the results obtained, this approach will have full applicability in a real operational context, following the latest practices and technologies in the sector.Os riscos cibernéticos estão cada vez mais difundidos à medida que as organizações de cuidados de saúde desempenham um papel determinante na sociedade. Vários estudos revelaram um aumento das ameaças de cibersegurança no setor, o que nos deve preocupar a todos. Quando se trata de cibersegurança, as consequências podem ser sentidas em toda a organização, desde os mais pequenos processos até à sua capacidade global de funcionamento. Normalmente, um ciberataque resulta na divulgação de informações confidenciais que colocam em causa a sua vantagem competitiva e a confiança geral. O healthcare como setor crítico apresenta, como muitos outros setores, uma aposta tardia na sua transformação para a cibersegurança de forma generalizada. Esta dissertação reforça esta necessidade apresentando uma solução de valor acrescentado que ajuda a potenciar os processos internos das unidades de saúde possibilitando a sua missão principal de salvar vidas, aumentando a garantia de confidencialidade e segurança dos dados dos pacientes e instituições. A solução apresenta-se como um compósito tecnológico que se traduz numa metodologia e artefacto de inovação para integração, monitorização e segurança de infraestruturas médicas críticas baseado em use cases de operação. A abordagem que envolve pessoas, processos e tecnologia assenta num modelo que prevê a avaliação de potenciais ativos para integração e monitorização, como conta alavancar a eficiência na resposta a incidentes de segurança com o desenvolvimento formal de um processo e mecanismos para alerta e resolução de cenários de exposição e ataque. O artefacto, a nível tecnológico, conta com a integração do sistema de arquivo de imagem médica (PACS) num SIEM para validação de logs aplicacionais que estão associados a regras que mapeiam comportamentos anómalos que originam o despoletar do processo de gestão de incidentes numa plataforma IHS com funcionalidades desenvolvidas à medida. A escolha para integração no protótipo de validação do sistema PACS tem por base não só a sua importância na orquestração de atividades na orgânica duma instituição de saúde, mas também com as recentes recomendações de várias agências e organizações de cibersegurança para a importância da sua proteção em resposta às últimas tendências de ciberataques. Em linha com os resultados auscultados, esta abordagem terá total aplicabilidade em contexto real de operação, seguindo as mais recentes práticas e tecnologias no sector

A comprehensive survey of V2X cybersecurity mechanisms and future research paths

Recent advancements in vehicle-to-everything (V2X) communication have notably improved existing transport systems by enabling increased connectivity and driving autonomy levels. The remarkable benefits of V2X connectivity come inadvertently with challenges which involve security vulnerabilities and breaches. Addressing security concerns is essential for seamless and safe operation of mission-critical V2X use cases. This paper surveys current literature on V2X security and provides a systematic and comprehensive review of the most relevant security enhancements to date. An in-depth classification of V2X attacks is first performed according to key security and privacy requirements. Our methodology resumes with a taxonomy of security mechanisms based on their proactive/reactive defensive approach, which helps identify strengths and limitations of state-of-the-art countermeasures for V2X attacks. In addition, this paper delves into the potential of emerging security approaches leveraging artificial intelligence tools to meet security objectives. Promising data-driven solutions tailored to tackle security, privacy and trust issues are thoroughly discussed along with new threat vectors introduced inevitably by these enablers. The lessons learned from the detailed review of existing works are also compiled and highlighted. We conclude this survey with a structured synthesis of open challenges and future research directions to foster contributions in this prominent field.This work is supported by the H2020-INSPIRE-5Gplus project (under Grant agreement No. 871808), the ”Ministerio de Asuntos Económicos y Transformacion Digital” and the European Union-NextGenerationEU in the frameworks of the ”Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia” and of the ”Mecanismo de Recuperación y Resiliencia” under references TSI-063000-2021-39/40/41, and the CHIST-ERA-17-BDSI-003 FIREMAN project funded by the Spanish National Foundation (Grant PCI2019-103780).Peer ReviewedPostprint (published version

Big Data Security (Volume 3)

After a short description of the key concepts of big data the book explores on the secrecy and security threats posed especially by cloud based data storage. It delivers conceptual frameworks and models along with case studies of recent technology

Security Enhanced Applications for Information Systems

Every day, more users access services and electronically transmit information which is usually disseminated over insecure networks and processed by websites and databases, which lack proper security protection mechanisms and tools. This may have an impact on both the users’ trust as well as the reputation of the system’s stakeholders. Designing and implementing security enhanced systems is of vital importance. Therefore, this book aims to present a number of innovative security enhanced applications. It is titled “Security Enhanced Applications for Information Systems” and includes 11 chapters. This book is a quality guide for teaching purposes as well as for young researchers since it presents leading innovative contributions on security enhanced applications on various Information Systems. It involves cases based on the standalone, network and Cloud environments

Context-based Access Control and Attack Modelling and Analysis

In dieser Arbeit haben wir architekturelle Sicherheitsanalysen entwickelt, um Zugriffsverletzungen und Angriffspfade zu ermitteln. Durch die fortschreitende Digitalisierung und die zunehmende Vernetzung steigt die Bedeutung der IT-Sicherheit. Die Sicherheit eines Systems besteht aus mehreren verschiedenen Eigenschaften wie Vertraulichkeit oder Integrität. In unserer Arbeit konzentrieren wir uns auf die Vertraulichkeit. Ein vertrauliches System teilt nur die benötigten Daten mit autorisierten Entitäten. Unbefugte oder böswillige Personen erhalten keinen Zugang zu vertraulichen Daten. Die Entwicklung eines vertraulichen Systems ist jedoch schwierig, da viele verschiedene Eigenschaften Einfluss auf die Vertraulichkeit haben. Ein wichtiger Einflussfaktor ist die Zugangskontrolle. Zugriffskontrollrichtlinien definieren für jedes Element innerhalb eines Systems, unter welchen Bedingungen der Zugriff gewährt werden kann. Diese Zugriffskontrollrichtlinien berücksichtigen oft den Kontext für den Zugriff. Der Kontext kann z.B. die Zeit oder der Standort von Personen sein. Durch die Berücksichtigung steigt die Komplexität der Spezifikation der Zugriffskontrolle. Dies kann zu einer Fehlspezifikation führen. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen einer Zugriffskontrollrichtlinie zu ermitteln. Aufgrund der Komplexität ist es jedoch schwierig, die Auswirkungen zu bestimmen, da die Analyse auch den Kontext berücksichtigen muss. Neben Zugriffskontrollrichtlinien können auch Schwachstellen die Vertraulichkeit des Systems beeinflussen. Schwachstellen können von Angreifer:innen ausgenutzt werden, um Zugang zu geschützten Entitäten im System zu erhalten. Sie ermöglichen es den Angreifer:innen also, die Zugangskontrollrichtlinien zu umgehen. Schwachstellen ermöglichen nicht nur den direkten Zugang zu Entitäten, sondern ermöglichen Angreifer:innen auch die Berechtigung anderer Personen zuerlangen. Diese Berechtigung kann dann von Angreifer:innen verwendet werden, um sich bei anderen Elementen Zugang zu verschaffen. Schwachstellen hängen jedoch auch von Zugangskontrollsystemen ab, da für einige Schwachstellen eine Berechtigung erforderlich ist. So können beispielsweise einige Schwachstellen nur von berechtigten Personen ausgenutzt werden. Um die Auswirkungen einer Schwachstelle abschätzen zu können, muss eine Analyse daher auch die Eigenschaften der Zugangskontrolle berücksichtigen. Darüber hinaus ist der Kontext der Angreifer:innen wichtig, da einige Schwachstellen nur dann ausgenutzt werden können, wenn der Angreifer:innen zuvor andere Entitäten im System kompromittiert haben. Daher wird bei Angriffen eine verkettete Liste kompromittierter Entitäten erstellt. Diese Liste wird auch als Angriffspfad bezeichnet. Sie besteht aus einer Kette von Schwachstellen, die die mehrfache Ausnutzung von Schwachstellen und Zugangskontrollrichtlinien durch Angreifer:innen darstellen. Die automatische Ableitung dieser möglichen Angriffspfade kann verwendet werden, um die Auswirkungen auf die Vertraulichkeit abzuschätzen, da sie den Expert:innen eine Rückmeldung darüber gibt, welche Elemente kompromittiert werden können. Bestehende Ansätze zur Abschätzung der Sicherheit oder der Auswirkungen von Zugangskontrollrichtlinien oder Schwachstellen konzentrieren sich oft nur auf eine der beiden Eigenschaften. Ansätze, die beide Eigenschaften berücksichtigen, sind in der Anwendungsdomäne oft sehr begrenzt, z.B. lösen sie es nur für eine Anwendungsdomäne wie Microsoft Active Directory oder sie berücksichtigen nur ein begrenztes Zugangskontrollmodell. Darüber hinaus arbeiten die meisten Ansätze mit einer Netzwerktopologie. Dies kann zwar bei der Modellierung hilfreich sein, doch berücksichtigt eine Netzwerktopologie in der Regel keine weiteren Eigenschaften wie Bereitstellung von Diensten auf Servern oder die Nutzung von Komponenten. Software-Architekturmodelle können diese Informationen jedoch liefern. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Modellen, ein System bereits während der Entwicklung oder während eines Ausfalls zu analysieren. Daher hilft es bei der Verwirklichung von Security by Design. Im Einzelnen sind unsere Beiträge: Wir haben ein Metamodell für die Zugriffskontrolle entwickelt, um kontextbasierte Zugriffskontrollrichtlinien in der Software-Architektur zu spezifizieren. Zusätzlich haben wir ein Schwachstellen-Metamodell entwickelt, um Schwachstellen in Software-Architekturen zu spezifizieren. Die Zugriffskontrollrichtlinien können in einer szenariobasierten Zugriffskontrollanalyse analysiert werden, um Zugriffsverletzungen zu identifizieren. Wir haben zwei Angriffsanalysen entwickelt. Beide können Angriffspfade auf einem Architekturmodell generieren und Schwachstellen und Zugangskontrollrichtlinien verwenden. Die eine Analyse betrachtet die Angriffsausbreitung von einem bestimmten Startpunkt in der Software-Architektur. Die andere findet Angriffspfade, die zu einem bestimmten Architekturelement führen. Wir haben unsere Sicherheitsanalysen anhand verschiedener Evaluierungsszenarien evaluiert. Diese Szenarien wurden auf der Grundlage von Evaluierungsfällen aus verwandten Arbeiten oder realen Sicherheitsvorfällen erstellt. Für die erste Analyse haben wir die Genauigkeit bei der Identifizierung von Zugriffsverletzungen untersucht. Unsere Ergebnisse deuten auf eine hohe Genauigkeit hin. Für die beiden Angriffsanalysen untersuchten wir die Genauigkeit hinsichtlich der gefundenen kompromittierten Elemente, die Aufwandsreduzierung bei der Verwendung unserer Analysen und die Skalierbarkeit. Unsere Ergebnisse deuten auf eine hohe Genauigkeit und eine Aufwandsreduzierung hin. Allerdings ist die Skalierbarkeit für beide Ansätze nicht ideal. Für kleinere Software-Architekturen ist sie jedoch akzeptabel. Der von uns entwickelte Ansatz kann Software-Architekt:innen dabei helfen, sicherere Systeme zu entwerfen. Der Ansatz kann die Auswirkungen von Zugriffskontrollrichtlinien anhand von Zugriffsverletzungen und für Schwachstellen zusammen mit Zugriffskontrollrichtlinien anhand von Angriffspfaden aufzeigen. Durch die Verwendung von Software-Architekturmodellen kann unser Ansatz dieses Feedback bereits während des Entwurfs der Software liefern. Dies kann helfen, nach "Security by Design" zu entwickeln