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This paper proposes a lightweight PUF-based user authentication and key agreement protocol for resource-constrained IoT environments. The proposed protocol is designed for IoT environments consisting of users, gateway nodes, and sensor nodes, and supports mutual authentication and session key agreement using hash functions, random numbers, timestamps, PUFs, and fuzzy extractors. In addition, it supports user anonymity, untraceability, verification of device uniqueness, per-session renewal of PUF challenges and helper data, and revocation and re-registration of user credentials. Security analysis demonstrates that the proposed protocol provides mutual authentication, session key security, user anonymity, and untraceability while resisting insider attacks, offline ID and password guessing attacks, user and gateway impersonation attacks, sensor-node impersonation and capture attacks, challenge reuse attacks, and PUF modeling attacks. Furthermore, functional and performance comparisons with existing protocols demonstrate that the proposed protocol provides a practical balance between additional security and operational capabilities and computational and communication costs.

한국어

본 논문에서는 자원 제약 IoT 환경에서 안전한 사용자 인증과 세션키 합의를 지원하기 위한 PUF 기반 경량 사용자 인증 및 키 합의 프로토콜을 제안하였다. 제안 프로토콜은 사용자, 게이트웨이, 센서 노드로 구성된 IoT 환경에서 해시 함수, 난수, 타임스탬프, PUF 및 퍼지 추출기를 활용하여 상호 인증과 세션키 합의를 수행하도록 설계하였고, 사용자 익명성, 추적 불가능성, 장치 고유성 검증, 챌린지 헬퍼 데이터의 세션별 갱신과 사용자 인증정보 폐기 기능 및 재등록 절차를 지원한다. 보안 분석 결과, 제안 프로토콜은 상호 인증, 세션키 안전성, 사용자 익명성 및 추적 불가능성을 제공하며, 내부자 공격, 오프라인 ID 및 패스워드 추측 공격, 사용자·게이트웨이 위조 공격, 센서 노드 위조 및 캡처 공격 등에 안전함을 확인하였다. 또한, 기존 프로토콜과의 기능 및 성능 비교를 통해 제안 프로토콜이 추가적인 보안· 운용 기능과 계산 및 통신 비용 사이의 균형을 제공함을 확인하였다.

목차

요약
Abstract
1. 서론
2. 관련 연구
2.1. IoT 환경의 사용자 인증 연구
2.2. PUF 기반 사용자 인증 연구
2.3. 기존 프로토콜의 기능 비교
3. 배경 및 보안 요구사항
3.1. 배경
3.2. 보안 요구사항
4. 제안 프로토콜
4.1. 등록 단계
4.2. 로그인 및 인증 단계
4.3. 패스워드 변경 단계
4.4. 폐기 단계
5. 제안 프로토콜 보안 분석
5.1. 상호 인증
5.2. 내부자 공격
5.3. 오프라인 아이디, 패스워드 추측 공격
5.4. 사용자 위조 공격
5.5. 게이트웨이 위조 공격
5.6. 센서 노드 위조 및 캡처 공격
5.7. 재전송 공격
5.8. 중간자 공격
5.9. 세션키 안전성
5.10. 사용자 익명성 및 추적 불가능성
5.11. 챌린지 재사용 방지 및 모델링 공격 저항
6. 성능 분석
6.1. 계산 비용
6.2. 통신 비용
7. 결론
REFERENCES

키워드

저자

• 변승민 [ Seung-Min Byun | 국립금오공과대학교 IT융복합공학부 ]
• 이학준 [ Hak-Jun Lee | 국립금오공과대학교 전자공학부 ] Corresponding Author

참고문헌

발행기관

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• 간행물명

  정보화연구 [정보화연구(구 정보기술아키텍처연구)]

• 간기

  계간

• pISSN

  1738-382X

• 수록기간

  2004~2026

• 등재여부

  KCI 등재

• 십진분류

  KDC 325 DDC 658