Security and trust in cloud computing and IoT through applying obfuscation, diversification, and trusted computing technologies

Cloud computing and Internet of Things (IoT) are very widely spread and commonly used technologies nowadays. The advanced services offered by cloud computing have made it a highly demanded technology. Enterprises and businesses are more and more relying on the cloud to deliver services to their customers. The prevalent use of cloud means that more data is stored outside the organization’s premises, which raises concerns about the security and privacy of the stored and processed data. This highlights the significance of effective security practices to secure the cloud infrastructure. The number of IoT devices is growing rapidly and the technology is being employed in a wide range of sectors including smart healthcare, industry automation, and smart environments. These devices collect and exchange a great deal of information, some of which may contain critical and personal data of the users of the device. Hence, it is highly significant to protect the collected and shared data over the network; notwithstanding, the studies signify that attacks on these devices are increasing, while a high percentage of IoT devices lack proper security measures to protect the devices, the data, and the privacy of the users. In this dissertation, we study the security of cloud computing and IoT and propose software-based security approaches supported by the hardware-based technologies to provide robust measures for enhancing the security of these environments. To achieve this goal, we use obfuscation and diversification as the potential software security techniques. Code obfuscation protects the software from malicious reverse engineering and diversification mitigates the risk of large-scale exploits. We study trusted computing and Trusted Execution Environments (TEE) as the hardware-based security solutions. Trusted Platform Module (TPM) provides security and trust through a hardware root of trust, and assures the integrity of a platform. We also study Intel SGX which is a TEE solution that guarantees the integrity and confidentiality of the code and data loaded onto its protected container, enclave. More precisely, through obfuscation and diversification of the operating systems and APIs of the IoT devices, we secure them at the application level, and by obfuscation and diversification of the communication protocols, we protect the communication of data between them at the network level. For securing the cloud computing, we employ obfuscation and diversification techniques for securing the cloud computing software at the client-side. For an enhanced level of security, we employ hardware-based security solutions, TPM and SGX. These solutions, in addition to security, ensure layered trust in various layers from hardware to the application. As the result of this PhD research, this dissertation addresses a number of security risks targeting IoT and cloud computing through the delivered publications and presents a brief outlook on the future research directions.Pilvilaskenta ja esineiden internet ovat nykyään hyvin tavallisia ja laajasti sovellettuja tekniikkoja. Pilvilaskennan pitkälle kehittyneet palvelut ovat tehneet siitä hyvin kysytyn teknologian. Yritykset enenevässä määrin nojaavat pilviteknologiaan toteuttaessaan palveluita asiakkailleen. Vallitsevassa pilviteknologian soveltamistilanteessa yritykset ulkoistavat tietojensa käsittelyä yrityksen ulkopuolelle, minkä voidaan nähdä nostavan esiin huolia taltioitavan ja käsiteltävän tiedon turvallisuudesta ja yksityisyydestä. Tämä korostaa tehokkaiden turvallisuusratkaisujen merkitystä osana pilvi-infrastruktuurin turvaamista. Esineiden internet -laitteiden lukumäärä on nopeasti kasvanut. Teknologiana sitä sovelletaan laajasti monilla sektoreilla, kuten älykkäässä terveydenhuollossa, teollisuusautomaatiossa ja älytiloissa. Sellaiset laitteet keräävät ja välittävät suuria määriä informaatiota, joka voi sisältää laitteiden käyttäjien kannalta kriittistä ja yksityistä tietoa. Tästä syystä johtuen on erittäin merkityksellistä suojata verkon yli kerättävää ja jaettavaa tietoa. Monet tutkimukset osoittavat esineiden internet -laitteisiin kohdistuvien tietoturvahyökkäysten määrän olevan nousussa, ja samaan aikaan suuri osuus näistä laitteista ei omaa kunnollisia teknisiä ominaisuuksia itse laitteiden tai niiden käyttäjien yksityisen tiedon suojaamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan pilvilaskennan sekä esineiden internetin tietoturvaa ja esitetään ohjelmistopohjaisia tietoturvalähestymistapoja turvautumalla osittain laitteistopohjaisiin teknologioihin. Esitetyt lähestymistavat tarjoavat vankkoja keinoja tietoturvallisuuden kohentamiseksi näissä konteksteissa. Tämän saavuttamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatiota ja diversifiointia potentiaalisiana ohjelmistopohjaisina tietoturvatekniikkoina. Suoritettavan koodin obfuskointi suojaa pahantahtoiselta ohjelmiston takaisinmallinnukselta ja diversifiointi torjuu tietoturva-aukkojen laaja-alaisen hyödyntämisen riskiä. Väitöskirjatyössä tutkitaan luotettua laskentaa ja luotettavan laskennan suoritusalustoja laitteistopohjaisina tietoturvaratkaisuina. TPM (Trusted Platform Module) tarjoaa turvallisuutta ja luottamuksellisuutta rakentuen laitteistopohjaiseen luottamukseen. Pyrkimyksenä on taata suoritusalustan eheys. Työssä tutkitaan myös Intel SGX:ää yhtenä luotettavan suorituksen suoritusalustana, joka takaa suoritettavan koodin ja datan eheyden sekä luottamuksellisuuden pohjautuen suojatun säiliön, saarekkeen, tekniseen toteutukseen. Tarkemmin ilmaistuna työssä turvataan käyttöjärjestelmä- ja sovellusrajapintatasojen obfuskaation ja diversifioinnin kautta esineiden internet -laitteiden ohjelmistokerrosta. Soveltamalla samoja tekniikoita protokollakerrokseen, työssä suojataan laitteiden välistä tiedonvaihtoa verkkotasolla. Pilvilaskennan turvaamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatio ja diversifiointitekniikoita asiakaspuolen ohjelmistoratkaisuihin. Vankemman tietoturvallisuuden saavuttamiseksi työssä hyödynnetään laitteistopohjaisia TPM- ja SGX-ratkaisuja. Tietoturvallisuuden lisäksi nämä ratkaisut tarjoavat monikerroksisen luottamuksen rakentuen laitteistotasolta ohjelmistokerrokseen asti. Tämän väitöskirjatutkimustyön tuloksena, osajulkaisuiden kautta, vastataan moniin esineiden internet -laitteisiin ja pilvilaskentaan kohdistuviin tietoturvauhkiin. Työssä esitetään myös näkemyksiä jatkotutkimusaiheista

REISCH: incorporating lightweight and reliable algorithms into healthcare applications of WSNs

Healthcare institutions require advanced technology to collect patients' data accurately and continuously. The tradition technologies still suffer from two problems: performance and security efficiency. The existing research has serious drawbacks when using public-key mechanisms such as digital signature algorithms. In this paper, we propose Reliable and Efficient Integrity Scheme for Data Collection in HWSN (REISCH) to alleviate these problems by using secure and lightweight signature algorithms. The results of the performance analysis indicate that our scheme provides high efficiency in data integration between sensors and server (saves more than 24% of alive sensors compared to traditional algorithms). Additionally, we use Automated Validation of Internet Security Protocols and Applications (AVISPA) to validate the security procedures in our scheme. Security analysis results confirm that REISCH is safe against some well-known attacks

Systematizing Genome Privacy Research: A Privacy-Enhancing Technologies Perspective

Rapid advances in human genomics are enabling researchers to gain a better understanding of the role of the genome in our health and well-being, stimulating hope for more effective and cost efficient healthcare. However, this also prompts a number of security and privacy concerns stemming from the distinctive characteristics of genomic data. To address them, a new research community has emerged and produced a large number of publications and initiatives. In this paper, we rely on a structured methodology to contextualize and provide a critical analysis of the current knowledge on privacy-enhancing technologies used for testing, storing, and sharing genomic data, using a representative sample of the work published in the past decade. We identify and discuss limitations, technical challenges, and issues faced by the community, focusing in particular on those that are inherently tied to the nature of the problem and are harder for the community alone to address. Finally, we report on the importance and difficulty of the identified challenges based on an online survey of genome data privacy expertsComment: To appear in the Proceedings on Privacy Enhancing Technologies (PoPETs), Vol. 2019, Issue

Systemization of Pluggable Transports for Censorship Resistance

An increasing number of countries implement Internet censorship at different scales and for a variety of reasons. In particular, the link between the censored client and entry point to the uncensored network is a frequent target of censorship due to the ease with which a nation-state censor can control it. A number of censorship resistance systems have been developed thus far to help circumvent blocking on this link, which we refer to as link circumvention systems (LCs). The variety and profusion of attack vectors available to a censor has led to an arms race, leading to a dramatic speed of evolution of LCs. Despite their inherent complexity and the breadth of work in this area, there is no systematic way to evaluate link circumvention systems and compare them against each other. In this paper, we (i) sketch an attack model to comprehensively explore a censor's capabilities, (ii) present an abstract model of a LC, a system that helps a censored client communicate with a server over the Internet while resisting censorship, (iii) describe an evaluation stack that underscores a layered approach to evaluate LCs, and (iv) systemize and evaluate existing censorship resistance systems that provide link circumvention. We highlight open challenges in the evaluation and development of LCs and discuss possible mitigations.Comment: Content from this paper was published in Proceedings on Privacy Enhancing Technologies (PoPETS), Volume 2016, Issue 4 (July 2016) as "SoK: Making Sense of Censorship Resistance Systems" by Sheharbano Khattak, Tariq Elahi, Laurent Simon, Colleen M. Swanson, Steven J. Murdoch and Ian Goldberg (DOI 10.1515/popets-2016-0028