Risks and potentials of graphical and gesture-based authentication for touchscreen mobile devices

While a few years ago, mobile phones were mainly used for making phone calls and texting short messages, the functionality of mobile devices has massively grown. We are surfing the web, sending emails and we are checking our bank accounts on the go. As a consequence, these internet-enabled devices store a lot of potentially sensitive data and require enhanced protection. We argue that authentication often represents the only countermeasure to protect mobile devices from unwanted access. Knowledge-based concepts (e.g., PIN) are the most used authentication schemes on mobile devices. They serve as the main protection barrier for many users and represent the fallback solution whenever alternative mechanisms fail (e.g., fingerprint recognition). This thesis focuses on the risks and potentials of gesture-based authentication concepts that particularly exploit the touch feature of mobile devices. The contribution of our work is threefold. Firstly, the problem space of mobile authentication is explored. Secondly, the design space is systematically evaluated utilizing interactive prototypes. Finally, we provide generalized insights into the impact of specific design factors and present recommendations for the design and the evaluation of graphical gesture-based authentication mechanisms. The problem space exploration is based on four research projects that reveal important real-world issues of gesture-based authentication on mobile devices. The first part focuses on authentication behavior in the wild and shows that the mobile context makes great demands on the usability of authentication concepts. The second part explores usability features of established concepts and indicates that gesture-based approaches have several benefits in the mobile context. The third part focuses on observability and presents a prediction model for the vulnerability of a given grid-based gesture. Finally, the fourth part investigates the predictability of user-selected gesture-based secrets. The design space exploration is based on a design-oriented research approach and presents several practical solutions to existing real-world problems. The novel authentication mechanisms are implemented into working prototypes and evaluated in the lab and the field. In the first part, we discuss smudge attacks and present alternative authentication concepts that are significantly more secure against such attacks. The second part focuses on observation attacks. We illustrate how relative touch gestures can support eyes-free authentication and how they can be utilized to make traditional PIN-entry secure against observation attacks. The third part addresses the problem of predictable gesture choice and presents two concepts which nudge users to select a more diverse set of gestures. Finally, the results of the basic research and the design-oriented applied research are combined to discuss the interconnection of design space and problem space. We contribute by outlining crucial requirements for mobile authentication mechanisms and present empirically proven objectives for future designs. In addition, we illustrate a systematic goal-oriented development process and provide recommendations for the evaluation of authentication on mobile devices.Während Mobiltelefone vor einigen Jahren noch fast ausschließlich zum Telefonieren und zum SMS schreiben genutzt wurden, sind die Anwendungsmöglichkeiten von Mobilgeräten in den letzten Jahren erheblich gewachsen. Wir surfen unterwegs im Netz, senden E-Mails und überprüfen Bankkonten. In der Folge speichern moderne internetfähigen Mobilgeräte eine Vielfalt potenziell sensibler Daten und erfordern einen erhöhten Schutz. In diesem Zusammenhang stellen Authentifizierungsmethoden häufig die einzige Möglichkeit dar, um Mobilgeräte vor ungewolltem Zugriff zu schützen. Wissensbasierte Konzepte (bspw. PIN) sind die meistgenutzten Authentifizierungssysteme auf Mobilgeräten. Sie stellen für viele Nutzer den einzigen Schutzmechanismus dar und dienen als Ersatzlösung, wenn alternative Systeme (bspw. Fingerabdruckerkennung) versagen. Diese Dissertation befasst sich mit den Risiken und Potenzialen gestenbasierter Konzepte, welche insbesondere die Touch-Funktion moderner Mobilgeräte ausschöpfen. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit ist vielschichtig. Zum einen wird der Problemraum mobiler Authentifizierung erforscht. Zum anderen wird der Gestaltungsraum anhand interaktiver Prototypen systematisch evaluiert. Schließlich stellen wir generelle Einsichten bezüglich des Einflusses bestimmter Gestaltungsaspekte dar und geben Empfehlungen für die Gestaltung und Bewertung grafischer gestenbasierter Authentifizierungsmechanismen. Die Untersuchung des Problemraums basiert auf vier Forschungsprojekten, welche praktische Probleme gestenbasierter Authentifizierung offenbaren. Der erste Teil befasst sich mit dem Authentifizierungsverhalten im Alltag und zeigt, dass der mobile Kontext hohe Ansprüche an die Benutzerfreundlichkeit eines Authentifizierungssystems stellt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Benutzerfreundlichkeit etablierter Methoden und deutet darauf hin, dass gestenbasierte Konzepte vor allem im mobilen Bereich besondere Vorzüge bieten. Im dritten Teil untersuchen wir die Beobachtbarkeit gestenbasierter Eingabe und präsentieren ein Vorhersagemodell, welches die Angreifbarkeit einer gegebenen rasterbasierten Geste abschätzt. Schließlich beschäftigen wir uns mit der Erratbarkeit nutzerselektierter Gesten. Die Untersuchung des Gestaltungsraums basiert auf einem gestaltungsorientierten Forschungsansatz, welcher zu mehreren praxisgerechte Lösungen führt. Die neuartigen Authentifizierungskonzepte werden als interaktive Prototypen umgesetzt und in Labor- und Feldversuchen evaluiert. Im ersten Teil diskutieren wir Fettfingerattacken ("smudge attacks") und präsentieren alternative Authentifizierungskonzepte, welche effektiv vor diesen Angriffen schützen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit Angriffen durch Beobachtung und verdeutlicht wie relative Gesten dazu genutzt werden können, um blickfreie Authentifizierung zu gewährleisten oder um PIN-Eingaben vor Beobachtung zu schützen. Der dritte Teil beschäftigt sich mit dem Problem der vorhersehbaren Gestenwahl und präsentiert zwei Konzepte, welche Nutzer dazu bringen verschiedenartige Gesten zu wählen. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung und der gestaltungsorientierten angewandten Forschung werden schließlich verknüpft, um die Verzahnung von Gestaltungsraum und Problemraum zu diskutieren. Wir präsentieren wichtige Anforderungen für mobile Authentifizierungsmechanismen und erläutern empirisch nachgewiesene Zielvorgaben für zukünftige Konzepte. Zusätzlich zeigen wir einen zielgerichteten Entwicklungsprozess auf, welcher bei der Entwicklung neuartiger Konzepte helfen wird und geben Empfehlungen für die Evaluation mobiler Authentifizierungsmethoden

Risks and potentials of graphical and gesture-based authentication for touchscreen mobile devices

While a few years ago, mobile phones were mainly used for making phone calls and texting short messages, the functionality of mobile devices has massively grown. We are surfing the web, sending emails and we are checking our bank accounts on the go. As a consequence, these internet-enabled devices store a lot of potentially sensitive data and require enhanced protection. We argue that authentication often represents the only countermeasure to protect mobile devices from unwanted access. Knowledge-based concepts (e.g., PIN) are the most used authentication schemes on mobile devices. They serve as the main protection barrier for many users and represent the fallback solution whenever alternative mechanisms fail (e.g., fingerprint recognition). This thesis focuses on the risks and potentials of gesture-based authentication concepts that particularly exploit the touch feature of mobile devices. The contribution of our work is threefold. Firstly, the problem space of mobile authentication is explored. Secondly, the design space is systematically evaluated utilizing interactive prototypes. Finally, we provide generalized insights into the impact of specific design factors and present recommendations for the design and the evaluation of graphical gesture-based authentication mechanisms. The problem space exploration is based on four research projects that reveal important real-world issues of gesture-based authentication on mobile devices. The first part focuses on authentication behavior in the wild and shows that the mobile context makes great demands on the usability of authentication concepts. The second part explores usability features of established concepts and indicates that gesture-based approaches have several benefits in the mobile context. The third part focuses on observability and presents a prediction model for the vulnerability of a given grid-based gesture. Finally, the fourth part investigates the predictability of user-selected gesture-based secrets. The design space exploration is based on a design-oriented research approach and presents several practical solutions to existing real-world problems. The novel authentication mechanisms are implemented into working prototypes and evaluated in the lab and the field. In the first part, we discuss smudge attacks and present alternative authentication concepts that are significantly more secure against such attacks. The second part focuses on observation attacks. We illustrate how relative touch gestures can support eyes-free authentication and how they can be utilized to make traditional PIN-entry secure against observation attacks. The third part addresses the problem of predictable gesture choice and presents two concepts which nudge users to select a more diverse set of gestures. Finally, the results of the basic research and the design-oriented applied research are combined to discuss the interconnection of design space and problem space. We contribute by outlining crucial requirements for mobile authentication mechanisms and present empirically proven objectives for future designs. In addition, we illustrate a systematic goal-oriented development process and provide recommendations for the evaluation of authentication on mobile devices.Während Mobiltelefone vor einigen Jahren noch fast ausschließlich zum Telefonieren und zum SMS schreiben genutzt wurden, sind die Anwendungsmöglichkeiten von Mobilgeräten in den letzten Jahren erheblich gewachsen. Wir surfen unterwegs im Netz, senden E-Mails und überprüfen Bankkonten. In der Folge speichern moderne internetfähigen Mobilgeräte eine Vielfalt potenziell sensibler Daten und erfordern einen erhöhten Schutz. In diesem Zusammenhang stellen Authentifizierungsmethoden häufig die einzige Möglichkeit dar, um Mobilgeräte vor ungewolltem Zugriff zu schützen. Wissensbasierte Konzepte (bspw. PIN) sind die meistgenutzten Authentifizierungssysteme auf Mobilgeräten. Sie stellen für viele Nutzer den einzigen Schutzmechanismus dar und dienen als Ersatzlösung, wenn alternative Systeme (bspw. Fingerabdruckerkennung) versagen. Diese Dissertation befasst sich mit den Risiken und Potenzialen gestenbasierter Konzepte, welche insbesondere die Touch-Funktion moderner Mobilgeräte ausschöpfen. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit ist vielschichtig. Zum einen wird der Problemraum mobiler Authentifizierung erforscht. Zum anderen wird der Gestaltungsraum anhand interaktiver Prototypen systematisch evaluiert. Schließlich stellen wir generelle Einsichten bezüglich des Einflusses bestimmter Gestaltungsaspekte dar und geben Empfehlungen für die Gestaltung und Bewertung grafischer gestenbasierter Authentifizierungsmechanismen. Die Untersuchung des Problemraums basiert auf vier Forschungsprojekten, welche praktische Probleme gestenbasierter Authentifizierung offenbaren. Der erste Teil befasst sich mit dem Authentifizierungsverhalten im Alltag und zeigt, dass der mobile Kontext hohe Ansprüche an die Benutzerfreundlichkeit eines Authentifizierungssystems stellt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Benutzerfreundlichkeit etablierter Methoden und deutet darauf hin, dass gestenbasierte Konzepte vor allem im mobilen Bereich besondere Vorzüge bieten. Im dritten Teil untersuchen wir die Beobachtbarkeit gestenbasierter Eingabe und präsentieren ein Vorhersagemodell, welches die Angreifbarkeit einer gegebenen rasterbasierten Geste abschätzt. Schließlich beschäftigen wir uns mit der Erratbarkeit nutzerselektierter Gesten. Die Untersuchung des Gestaltungsraums basiert auf einem gestaltungsorientierten Forschungsansatz, welcher zu mehreren praxisgerechte Lösungen führt. Die neuartigen Authentifizierungskonzepte werden als interaktive Prototypen umgesetzt und in Labor- und Feldversuchen evaluiert. Im ersten Teil diskutieren wir Fettfingerattacken ("smudge attacks") und präsentieren alternative Authentifizierungskonzepte, welche effektiv vor diesen Angriffen schützen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit Angriffen durch Beobachtung und verdeutlicht wie relative Gesten dazu genutzt werden können, um blickfreie Authentifizierung zu gewährleisten oder um PIN-Eingaben vor Beobachtung zu schützen. Der dritte Teil beschäftigt sich mit dem Problem der vorhersehbaren Gestenwahl und präsentiert zwei Konzepte, welche Nutzer dazu bringen verschiedenartige Gesten zu wählen. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung und der gestaltungsorientierten angewandten Forschung werden schließlich verknüpft, um die Verzahnung von Gestaltungsraum und Problemraum zu diskutieren. Wir präsentieren wichtige Anforderungen für mobile Authentifizierungsmechanismen und erläutern empirisch nachgewiesene Zielvorgaben für zukünftige Konzepte. Zusätzlich zeigen wir einen zielgerichteten Entwicklungsprozess auf, welcher bei der Entwicklung neuartiger Konzepte helfen wird und geben Empfehlungen für die Evaluation mobiler Authentifizierungsmethoden

Understanding Shoulder Surfing in the Wild: Stories from Users and Observers

Research has brought forth a variety of authentication systems to mitigate observation attacks. However, there is little work about shoulder surfing situations in the real world. We present the results of a user survey (N=174) in which we investigate actual stories about shoulder surfing on mobile devices from both users and observers. Our analysis indicates that shoulder surfing mainly occurs in an opportunistic, non-malicious way. It usually does not have serious consequences, but evokes negative feelings for both parties, resulting in a variety of coping strategies. Observed data was personal in most cases and ranged from information about interests and hobbies to login data and intimate details about third persons and relationships. Thus, our work contributes evidence for shoulder surfing in the real world and informs implications for the design of privacy protection mechanisms

GazeTouchPIN: Protecting Sensitive Data on Mobile Devices Using Secure Multimodal Authentication

Although mobile devices provide access to a plethora of sensitive data, most users still only protect them with PINs or patterns, which are vulnerable to side-channel attacks (e.g., shoulder surfing). How-ever, prior research has shown that privacy-aware users are willing to take further steps to protect their private data. We propose GazeTouchPIN, a novel secure authentication scheme for mobile devices that combines gaze and touch input. Our multimodal approach complicates shoulder-surfing attacks by requiring attackers to ob-serve the screen as well as the user’s eyes to and the password. We evaluate the security and usability of GazeTouchPIN in two user studies (N=30). We found that while GazeTouchPIN requires longer entry times, privacy aware users would use it on-demand when feeling observed or when accessing sensitive data. The results show that successful shoulder surfing attack rate drops from 68% to 10.4%when using GazeTouchPIN

GazeTouchPass: Multimodal Authentication Using Gaze and Touch on Mobile Devices

We propose a multimodal scheme, GazeTouchPass, that combines gaze and touch for shoulder-surfing resistant user authentication on mobile devices. GazeTouchPass allows passwords with multiple switches between input modalities during authentication. This requires attackers to simultaneously observe the device screen and the user's eyes to find the password. We evaluate the security and usability of GazeTouchPass in two user studies. Our findings show that GazeTouchPass is usable and significantly more secure than single-modal authentication against basic and even advanced shoulder-surfing attacks

Seamless and Secure VR: Adapting and Evaluating Established Authentication Systems for Virtual Reality

Virtual reality (VR) headsets are enabling a wide range of new opportunities for the user. For example, in the near future users may be able to visit virtual shopping malls and virtually join international conferences. These and many other scenarios pose new questions with regards to privacy and security, in particular authentication of users within the virtual environment. As a first step towards seamless VR authentication, this paper investigates the direct transfer of well-established concepts (PIN, Android unlock patterns) into VR. In a pilot study (N = 5) and a lab study (N = 25), we adapted existing mechanisms and evaluated their usability and security for VR. The results indicate that both PINs and patterns are well suited for authentication in VR. We found that the usability of both methods matched the performance known from the physical world. In addition, the private visual channel makes authentication harder to observe, indicating that authentication in VR using traditional concepts already achieves a good balance in the trade-off between usability and security. The paper contributes to a better understanding of authentication within VR environments, by providing the first investigation of established authentication methods within VR, and presents the base layer for the design of future authentication schemes, which are used in VR environments only

Stop to Unlock - Improving the Security of Android Unlock Patterns

Android unlock patterns are among the most common authentication mechanisms on mobile devices. They are fast and easy to use but also lack security as user-chosen gestures are easy to guess and easy to observe. To improve the traditional pattern approach, we propose Stop2Unlock, a usable but more secure modification of the traditional pattern lock. Stop2Unlock allows users to define nodes where they stop for a limited amount of time before swiping to the next node. We performed a lab study (n=40) and a field study (n=14) to show that this small change in user interaction can have a significant impact on security with a minimal impact on usability. That is, user-selected Stop2Unlock patterns are significantly harder to guess while being comparable in terms of usability. Additional analysis showed that users perceived the stop component as a rhythmic and memorable cue which supported the selection of higher entropy patterns

A Usability Evaluation of Let's Encrypt and Certbot: Usable Security Done Right

The correct configuration of HTTPS is a complex set of tasks, which many administrators have struggled with in the past. Let's Encrypt and Electronic Frontier Foundation's Certbot aim to improve the TLS ecosystem by offering free trusted certificates (Let's Encrypt) and by providing user-friendly support to configure and harden TLS (Certbot). Although adoption rates have increased, to date, there has been only a little scientific evidence of the actual usability and security benefits of this semi-automated approach. Therefore, we conducted a randomized control trial to evaluate the usability of Let's Encrypt and Certbot in comparison to the traditional certificate authority approach. We performed a within-subjects lab study with 31 participants. The study sheds light on the security and usability enhancements that Let's Encrypt and Certbot provide. We highlight how usability improvements aimed at administrators can have a large impact on security and discuss takeaways for Certbot and other security-related tasks that experts struggle with