Μια εφαρμογή αισθητήρων κίνησης και άνεσης, με προστασία από replay

Στόχος

Για το μάθημα Ασφαλείς Εφαρμογές για το Διαδίκτυο των Πραγμάτων του μεταπτυχιακού μου, ένας συμφοιτητής κι εγώ φτιάξαμε μια μικρή εφαρμογή αισθητήρων ως ομαδικό project δύο ατόμων. Ένας αισθητήρας στέλνει επιτάχυνση, θερμοκρασία και υγρασία, και η εφαρμογή μετατρέπει αυτούς τους αριθμούς σε δύο πράγματα που ενδιαφέρουν έναν άνθρωπο: τι κάνει αυτός που τον φοράει (κάθεται, περπατά, είναι ξαπλωμένος, πέφτει) και αν ο χώρος είναι άνετος. Επειδή είναι μάθημα ασφάλειας, τα μηνύματα έπρεπε επίσης να αντέχουν μια απλή επίθεση replay.

Τι δείχνει η εφαρμογή

Άνεση: το heat index

Η θερμοκρασία μόνη της λέει λίγα για την άνεση· οι 30 °C σε ξηρό αέρα είναι πολύ διαφορετικοί από τους 30 °C με 80% υγρασία. Χρησιμοποιήσαμε το heat index, την τυπική παλινδρόμηση (Rothfusz) στη μορφή της σε Κελσίου, όπου T η θερμοκρασία σε °C και RH η σχετική υγρασία σε %:

HI = c1 + c2*T + c3*RH + c4*T*RH + c5*T^2 + c6*RH^2
     + c7*T^2*RH + c8*T*RH^2 + c9*T^2*RH^2

c1 = -8.78469475556   c2 = 1.61139411      c3 = 2.33854883889
c4 = -0.14611605      c5 = -0.012308094    c6 = -0.0164248277778
c7 = 0.002211732      c8 = 0.00072546      c9 = -0.000003582

Ο τίτλος του γραφήματος άνεσης λέει επίσης αν οι συνθήκες είναι άνετες, με απλά κατώφλια στη θερμοκρασία και την υγρασία.

Δραστηριότητα: διαβάζοντας το διάνυσμα της επιτάχυνσης

Σε ηρεμία, το επιταχυνσιόμετρο μετρά τη βαρύτητα, οπότε ο άξονας που παίρνει το μεγαλύτερο μέρος του διανύσματος δείχνει τον προσανατολισμό του αισθητήρα. Η κίνηση φαίνεται ως αλλαγές στο μέγεθος του διανύσματος. Οι κανόνες ήταν σκόπιμα απλοί:

Στο τέλος κάθε εκτέλεσης, η εφαρμογή τυπώνει πόσο κράτησε κάθε δραστηριότητα και τους μέσους όρους, και σχεδιάζει το διάγραμμα πίτας.

Προστασία από replay

Χωρίς προστασία, όποιος μπορεί να υποκλέψει ένα μήνυμα μπορεί να το ξαναστείλει αργότερα, και ο παραλήπτης δεν μπορεί να ξεχωρίσει το αντίγραφο από το πρωτότυπο. Μια ηχογραφημένη ένδειξη «όλα κανονικά» θα μπορούσε να ξανασταλεί για να κρύψει μια πραγματική πτώση. Η άμυνά μας ήταν να στέλνουμε με κάθε μήνυμα ένα nonce, μια τιμή που χρησιμοποιείται μόνο μία φορά.

Τι έμαθα

Κοιτώντας πίσω, θα άλλαζα τρία πράγματα.

• Ένα nonce σταματά το replay μόνο αν ο παραλήπτης το ελέγχει. Ο παραλήπτης πρέπει να θυμάται τα nonces που έχει δεχτεί (ή να απαιτεί έναν μετρητή που μόνο αυξάνεται) και να απορρίπτει τις επαναλήψεις. Το nonce πρέπει επίσης να καλύπτεται από έναν κωδικό αυθεντικοποίησης μηνύματος, π.χ. ένα HMAC πάνω στο nonce και το payload· αλλιώς ο επιτιθέμενος απλώς αλλάζει το nonce στο μήνυμα που υπέκλεψε. Στις διαφάνειές μας περιέγραψα επίσης το nonce ως κάτι που κάνει τα δεδομένα πιο δύσκολα στην κατανόηση. Αυτό είναι εμπιστευτικότητα, που θέλει κρυπτογράφηση· η προστασία από replay και η εμπιστευτικότητα είναι διαφορετικές ιδιότητες.
• Η παλινδρόμηση του heat index ισχύει μόνο σε ζέστη. Προσαρμόστηκε για περίπου 27 °C και πάνω, με υγρασία 40% ή περισσότερο. Κάτω από αυτά, η πιο απλή φόρμουλα (ή απλώς η θερμοκρασία) είναι η τίμια απάντηση.
• Οι κανόνες με κατώφλια θέλουν εξομάλυνση. Το περπάτημα και η πτώση κοιτούν και τα δύο το μέτρο, οπότε τα κατώφλιά τους ανταγωνίζονται, και ένα μόνο θορυβώδες δείγμα μπορεί να αλλάξει την ετικέτα. Ένα μικρό κινούμενο παράθυρο, ένα low-pass φίλτρο για την κατεύθυνση της βαρύτητας και ένας έλεγχος «ακόμα ξαπλωμένος μετά την πρόσκρουση» θα έκοβαν τις περισσότερες ψεύτικες πτώσεις.

Ομαδικό project μαθήματος για το MSc στην Κυβερνοασφάλεια & Επιστήμη Δεδομένων του Πανεπιστημίου Πειραιώς.

Θέλεις τα configs ή τον κώδικα από αυτό το lab, ή έχεις κάποια ερώτηση; Στείλε μου email στο kostaspapas1023@gmail.com

← όλα τα άρθρα