Biometric authentication using the PPG: A long-term feasibility study

The photoplethysmogram (PPG) is a biomedical signal that can be used to estimate volumetric blood flow changes in the peripheral circulation. During the past few years, several works have been published in order to assess the potential for PPGs to be used in biometric authentication systems, but results are inconclusive. In this paper we perform an analysis of the feasibility of using the PPG as a realistic biometric alternative in the long term. Several feature extractors (based on the time domain and the Karhunen–Loève transform) and matching metrics (Manhattan and Euclidean distances) have been tested using four different PPG databases (PRRB, MIMIC-II, Berry, and Nonin). We show that the false match rate (FMR) and false non-match rate (FNMR) values remain constant in different time instances for a selected threshold, which is essential for using the PPG for biometric authentication purposes. On the other hand, obtained equal error rate (EER) values for signals recorded during the same session range from 1.0% for high-quality signals recorded in controlled conditions to 8% for those recorded in conditions closer to real-world scenarios. Moreover, in certain scenarios, EER values rise up to 23.2% for signals recorded over different days, signaling that performance degradation could take place with time

Certificateless Algorithm for Body Sensor Network and Remote Medical Server Units Authentication over Public Wireless Channels

Wireless sensor networks process and exchange mission-critical data relating to patients’ health status. Obviously, any leakages of the sensed data can have serious consequences which can endanger the lives of patients. As such, there is need for strong security and privacy protection of the data in storage as well as the data in transit. Over the recent past, researchers have developed numerous security protocols based on digital signatures, advanced encryption standard, digital certificates and elliptic curve cryptography among other approaches. However, previous studies have shown the existence of many security and privacy gaps that can be exploited by attackers to cause some harm in these networks. In addition, some techniques such as digital certificates have high storage and computation complexities occasioned by certificate and public key management issues. In this paper, a certificateless algorithm is developed for authenticating the body sensors and remote medical server units. Security analysis has shown that it offers data privacy, secure session key agreement, untraceability and anonymity. It can also withstand typical wireless sensor networks attacks such as impersonation, packet replay and man-in-the-middle. On the other hand, it is demonstrated to have the least execution time and bandwidth requirements

Security, Comfort, Healthcare, and Energy Saving: A Review on Biometric Factors for Smart Home Environment

The Internet of Things (IoT) have become significantly important in authentication mechanisms in which traditional authentication have shift to the biometric factors whereby biometric is said to offer more security and convenience to the users.The purpose of this paper is to provide an extensive review on biometric factors for smart home environments that are intended for security, comfort, healthcare, and energy saving.This paper also discusses the security authentication mechanisms, which are knowledge factor (password, PIN), ownership factor (ID card, passport), and inherent factor (fingerprint, iris, facial), known as biometric factors.Biometric factors can be used as authentications for smart home environments, which are more robust and reliable in terms of accuracy, convenience, and speed

Design of Secure ECG-Based Biometric Authentication in Body Area Sensor Networks

Body area sensor networks (BANs) utilize wireless communicating sensor nodes attached to a human body for convenience, safety, and health applications. Physiological characteristics of the body, such as the heart rate or Electrocardiogram (ECG) signals, are promising means to simplify the setup process and to improve security of BANs. This paper describes the design and implementation steps required to realize an ECG-based authentication protocol to identify sensor nodes attached to the same human body. Therefore, the first part of the paper addresses the design of a body-area sensor system, including the hardware setup, analogue and digital signal processing, and required ECG feature detection techniques. A model-based design flow is applied, and strengths and limitations of each design step are discussed. Real-world measured data originating from the implemented sensor system are then used to set up and parametrize a novel physiological authentication protocol for BANs. The authentication protocol utilizes statistical properties of expected and detected deviations to limit the number of false positive and false negative authentication attempts. The result of the described holistic design effort is the first practical implementation of biometric authentication in BANs that reflects timing and data uncertainties in the physical and cyber parts of the system

Design of Secure ECG-Based Biometric Authentication in Body Area Sensor Networks

Body area sensor networks (BANs) utilize wireless communicating sensor nodes attached to a human body for convenience, safety, and health applications. Physiological characteristics of the body, such as the heart rate or Electrocardiogram (ECG) signals, are promising means to simplify the setup process and to improve security of BANs. This paper describes the design and implementation steps required to realize an ECG-based authentication protocol to identify sensor nodes attached to the same human body. Therefore, the first part of the paper addresses the design of a body-area sensor system, including the hardware setup, analogue and digital signal processing, and required ECG feature detection techniques. A model-based design flow is applied, and strengths and limitations of each design step are discussed. Real-world measured data originating from the implemented sensor system are then used to set up and parametrize a novel physiological authentication protocol for BANs. The authentication protocol utilizes statistical properties of expected and detected deviations to limit the number of false positive and false negative authentication attempts. The result of the described holistic design effort is the first practical implementation of biometric authentication in BANs that reflects timing and data uncertainties in the physical and cyber parts of the system

An enhanced fuzzy commitment scheme in biometric template protection

Biometric template protection consists of two approaches; Feature Transformation (FT) and Biometric Cryptography (BC). This research focuses on Key-Binding Technique based on Fuzzy Commitment Scheme (FCS) under BC approach. In FCS, the helper data should not disclose any information about the biometric data. However, literatures showed that it had dependency issue in its helper data which jeopardize security and privacy. Moreover, this also increases the probability of privacy leakage which lead to attacks such as brute-force and cross-matching attack. Thus, the aim of this research is to reduce the dependency of helper data that can caused privacy leakage. Three objectives have been set such as (1) to identify the factors that cause dependency on biometric features (2) to enhance FCS by proposing an approach that reduces this dependency, and (3) to evaluate the proposed approach based on parameters such as security, privacy, and biometric performance. This research involved four phases. Phase one, involved research review and analysis, followed by designing conceptual model and algorithm development in phase two and three respectively. Phase four, involved with the evaluation of the proposed approach. The security and privacy analysis shows that with the additional hash function, it is difficult for adversary to perform brute‐force attack on information stored in database. Furthermore, the proposed approach has enhanced the aspect of unlinkability and prevents cross-matching attack. The proposed approach has achieved high accuracy of 95.31% with Equal Error Rate (EER) of 1.54% which performs slightly better by 1.42% compared to the existing approach. This research has contributed towards the key-binding technique of biometric fingerprint template protection, based on FCS. In particular, this research was designed to create a secret binary feature that can be used in other state-of-the-art cryptographic systems by using an appropriate error-correcting approach that meets security standards

Desing and evaluation of novel authentication, authorization and border protection mechanisms for modern information security architectures

En los últimos años, las vidas real y digital de las personas están más entrelazadas que nunca, lo que ha dado lugar a que la información de los usuarios haya adquirido un valor incalculable tanto para las empresas como para los atacantes. Mientras tanto, las consecuencias derivadas del uso inadecuado de dicha información son cada vez más preocupantes. El número de brechas de seguridad sigue aumentando cada día y las arquitecturas de seguridad de la información, si se diseñan correctamente, son la apuesta más segura para romper esta tendencia ascendente.Esta tesis contribuye en tres de los pilares fundamentales de cualquier arquitectura de seguridad de la información—autenticación, autorización y seguridad de los datos en tránsito—mejorando la seguridad y privacidad provista a la información involucrada. En primer lugar, la autenticación tiene como objetivo verificar que el usuario es quien dice ser. Del mismo modo que otras tareas que requieren de interacción por parte del usuario, en la autenticación es fundamental mantener el balance entre seguridad y usabilidad. Por ello, hemos diseñado una metodología de autenticación basada en el fotopletismograma (PPG). En la metodología propuesta, el modelo de cada usuario contiene un conjunto de ciclos aislados de su señal PPG, mientras que la distancia de Manhattan se utiliza para calcular la distancia entre modelos. Dicha metodología se ha evaluado prestando especial atención a los resultados a largo plazo. Los resultados obtenidos muestran que los impresionantes valores de error que se pueden obtener a corto plazo (valores de EER por debajo del 1%) crecen rápidamente cuando el tiempo entre la creación del modelo y la evaluación aumenta (el EER aumenta hasta el 20% durante las primeras 24 horas, valor que permanece estable desde ese momento). Aunque los valores de error encontrados en el largo plazo pueden ser demasiado altos para permitir que el PPG sea utilizado como una alternativa de autenticación confiable por si mismo, este puede ser utilizado de forma complementaria (e.g. como segundo factor de autenticación) junto a otras alternativas de autenticación, mejorándolas con interesantes propiedades, como la prueba de vida.Tras una correcta autenticación, el proceso de autorización determina si la acción solicitada al sistema debería permitirse o no. Como indican las nuevas leyes de protección de datos, los usuarios son los dueños reales de su información, y por ello deberían contar con los métodos necesarios para gestionar su información digital de forma efectiva. El framework OAuth, que permite a los usuarios autorizar a una aplicación de terceros a acceder a sus recursos protegidos, puede considerarse la primera solución en esta línea. En este framework, la autorización del usuario se encarna en un token de acceso que la tercera parte debe presentar cada vez que desee acceder a un recurso del usuario. Para desatar todo su potencial, hemos extendido dicho framework desde tres perspectivas diferentes. En primer lugar, hemos propuesto un protocolo que permite al servidor de autorización verificar que el usuario se encuentra presente cada vez que la aplicación de terceros solicita acceso a uno de sus recursos. Esta comprobación se realiza mediante una autenticación transparente basada en las señales biométricas adquiridas por los relojes inteligentes y/o las pulseras de actividad y puede mitigar las graves consecuencias de la exfiltración de tokens de acceso en muchas situaciones. En segundo lugar, hemos desarrollado un nuevo protocolo para autorizar a aplicaciones de terceros a acceder a los datos del usuario cuando estas aplicaciones no son aplicaciones web, sino que se sirven a través de plataformas de mensajería. El protocolo propuesto no lidia únicamente con los aspectos relacionados con la usabilidad (permitiendo realizar el proceso de autorización mediante el mismo interfaz que el usuario estaba utilizando para consumir el servicio, i.e. la plataforma de mensajería) sino que también aborda los problemas de seguridad que surgen derivados de este nuevo escenario. Finalmente, hemos mostrado un protocolo donde el usuario que requiere de acceso a los recursos protegidos no es el dueño de estos. Este nuevo mecanismo se basa en un nuevo tipo de concesión OAuth (grant type) para la interacción entre el servidor de autorización y ambos usuarios, y un perfil de OPA para la definición y evaluación de políticas de acceso. En un intento de acceso a los recursos, el dueño de estos podría ser consultado interactivamente para aprobar el acceso, habilitando de esta forma la delegación usuario a usuario. Después de unas autenticación y autorización exitosas, el usuario consigue acceso al recurso protegido. La seguridad de los datos en tránsito se encarga de proteger la información mientras es transmitida del dispositivo del usuario al servidor de recursos y viceversa. El cifrado, al tiempo que mantiene la información a salvo de los curiosos, también evita que los dispositivos de seguridad puedan cumplir su función—por ejemplo, los firewalls son incapaces de inspeccionar la información cifrada en busca de amenazas. Sin embargo, mostrar la información de los usuarios a dichos dispositivos podría suponer un problema de privacidad en ciertos escenarios. Por ello, hemos propuesto un método basado en Computación Segura Multiparte (SMC) que permite realizar las funciones de red sin comprometer la privacidad del tráfico. Esta aproximación aprovecha el paralelismo intrínseco a los escenarios de red, así como el uso adaptativo de diferentes representaciones de la función de red para adecuar la ejecución al estado de la red en cada momento. En nuestras pruebas hemos analizado el desencriptado seguro del tráfico utilizando el algoritmo Chacha20, mostrando que somos capaces de evaluar el tráfico introduciendo latencias realmente bajas (menores de 3ms) cuando la carga de la red permanece suficientemente baja, mientras que podemos procesar hasta 1.89 Gbps incrementando la latencia introducida. Teniendo en cuenta todo esto, a pesar de la penalización de rendimiento que se ha asociado tradicionalmente a las aplicaciones de Computación Segura, hemos presentado un método eficiente y flexible que podría lanzar la evaluación segura de las funciones de red a escenarios reales.<br /