I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   16 ,   N o .   2 N o v e m b e r   201 9 ,   pp.   8 48 ~8 59   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 1 6 .i 2 . pp 8 48 - 8 59             848       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i ae s c or e . c om / j our na l s / i nde x . php/ i j e e c s   A   sec u r e   g r o u p   b a sed  a u t h e n t i c a t i o n   p r o t o c o l   f o r   m a c h i n e   t o   m a c h i n e   c o m m u n i c a t i o n i n   L T E - W L A N     i n t e r w o r k i n g   a r c h i t e c t u r e       M ar i ya   O u ai s s a 1 A b d al l ah   R h atto y 2   1 R e s e a r c h   T e a m :   I S I C   H i g S c hoo l   o f   T e c hno l o gy ,   L M M I   L a bo r a t o r y   E N S A M ,   M o ul a y - I s m a i l   U ni v e r s i t y ,   M o r o c c o     2 R e s e a r c h   T e a m :   I S I C ,   D e pa r t m e n t   o f   C o m put e r   E ng i n e e r i ng   H i g S c hoo l   o f   T e c hno l o gy ,   M o ul a y - I s m a i l   U n i v e r s i t y ,   M o r o c c o       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e D e c   20 ,   2018   R e v i s e M a r   1 0 ,   20 19   A c c e pt e M a y   5 ,   201 9       M a c hi n e   t o   M a c hi ne   ( M 2 M )   c o m m uni c a t i o ha s   be e us e i n   a p pl i c a t i o ns   s uc a s   t e l e m e t r y ,   i ndus t r y ,   a ut o m a t i o a nd  he a l t h.   S up po r t   f or   a   l a r g e   num be r   o f   de v i c e s   ha s   be e c o ns i de r e a e s s e n t i a l   r e qu i r e m e n t   i M 2 M   c om m uni c a t i o ns .   D ur i ng   t h i s   t i m e ,   s e c ur i t y   i s   t he   m o s t   i m po r t a n t   c ha l l e ng e ;   M 2 M   c a nno t   a c c e s s   s e c ur e   n e t w o r k s   t hr o ug e f f e c t i v e   a ut h e nt i c a t i o n,     a l l   r e l e v a nt   M 2 M   a pp l i c a t i o ns   c a nno t   b e   a c c e pt e d .   T h e   c ha l l e ng e   o f   M 2M   r e s e a r c i s   a u t h e nt i c a t i o by   t he   g r o up  w he a   l a r g e   n um be r   o f   M 2 M   d e v i c e s   s i m u l t a ne o u s l y   a c c e s s i ng   t he   ne t w o r w i l l   c a u s e   s e v e r e   a u t h e nt i c a t i o s i g na l i ng   c o n g e s t i o n.   T h e   g r o up  ba s e m o de l   unde r   a M 2 M   a r c hi t e c t u r e ,   e s pe c i a l l y   w he t he   M a c h i ne   T y pe   C o m m uni c a t i o ( M T C )   de v i c e s   be l o ng   t o   t he   no 3r G e n e r a t i o P a r t ne r s h i P r o j e c t   ( 3G P P )   n e t w o r k ,   w i l l   f a c e   a   ne w   c ha l l e ng e   o f   a c c e s s   a ut he n t i c a t i o n .   I t hi s   p a pe r ,   w e   pr o po s e   a   g r o up  ba s e d   a ut h e n t i c a t i o a nd  ke y   a g r e e m e nt   p r o t o c o l   f o r   m a c hi ne   t y pe   c o m m uni c a t i o ns   c om bi ni ng   E l l i p t i c   C ur v e   ba s e D i f f i e - H e l l m a ( E C D H )   o t he   E xt e ns i bl e   A ut he nt i c a t i o P r o t o c o l   ( E A P ) .   C o m pa r e t o   E A P - A K A   a nd  o t he r   e x i s t i ng   a ut h e n t i c a t i o p r o t o c o l s ,   o ur   s o l u t i o p r o v i de s   i nc r e a s e s e c ur i t y   a g a i ns t   v a r i o us   m a l i c i o us   a c t i v i t i e s   a n be t t e r   pe r f o r m a nc e   i t e r m s   o f   s i g na l i ng   o v e r he a d,   ba ndw i dt c o ns um pt i o a nd   t r a n s m i s s i o c o s t .   Ke y w or ds :   3G P P   A ut h e nt i c a t i o n   E A P - AKA   E CD H   L T E - W L A N   M 2M   M T C   S e c ur i t y   C opy r i gh t   ©   201 9   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e .     A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   M a r i y a   O ua i s s a ,     In f o r m a t i o a n d   Co m m u n i c a t i o n   S y s t e m s   E n gi n e e ri n g   R e s e a r c h   G r o up ,   H i g h   S c h o o l   o f   T e c h n o l o g y ,   M a t h e m a t i c a l   M o de l i ng  a n d   Co m put e S c i e n c e   L a b o r a t o r y ,   E c o l e   N a t i o na l e   S u ri e ur e   de s   A r t s   e t   M é t i e r s ,   M o ul a y - Is m a i l   U n i v e r s i t y ,   K m   5,   R ue   d' A go ura y ,   N 6,   M e knè s   50 000,   M o r o c c o .     E m a i l :   m a r i y a . o ua i s s a @ e du . u m i . a c . m a       1.   I N TR O D U C TI O N     M a c hi n e   t o   M a c h i n e   (M 2M c o m m u n i c a t i o n,   a l s o   c a l l e M a c hi n e   T y pe   C o m m u n i c a t i o n   (M T C) ,   s t a n d a r di z e by   t h e   3rd  G e n e r a t i o n   P a rt n e r s hi P r o j e c t   (3 G P P ),   i s   a n   e m e r g i n t e c hn o l o g y   fo r   c o m pl e t e   m e c h a ni c a l   a u t o m a t i o a nd  i t s   ra p i de v e l o pm e n t   w i l l   c h a ng e   o ur   l i f e   s t y l e s   v i g o r o us l y   [1] .   M 2M   t e c hn o l o g y   i s   a t t ra c t i n g   a t t e n t i o n   i n   t h e   a r e a s   o f   s t a n da rdi z a t i o a nd  i nd us t r y ,   t o   w h i c h   m a n y   fo r um s   a n s t a n d a r d i z a t i o n   o r ga ni z a t i o n s   ha v e   a c t i v e l y   pa r t i c i pa t e d,   i n c l ud i n t h e   I ns t i t u t e   of   E l e c t r i c a l   a nd  E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r s   (IE E E ) ,   t h e   E u r o pe a n   T e l e c o m m u n i c a t i o n s   S t a n d a r ds   I n s t i t ut e   (E T S I) ,   t h e   3G P P   a n 3G P P 2 .   A m o n t h e s e ,   3G P P   ha s   b e e n   c o n s i de r e M T a s   t h e   p r o m i s i ng  s o l ut i o n   f a c i l i t a t i n M 2M   c o m m u ni c a t i o n s .   W i t t h e   de ve l o pm e n t   o M 2M   t e c hn o l o g y ,   m ob i l e   n e t w o r o p e r a t o rs   a n r e s e a r c h   g r o ups   a r e   pa y i n m o r e   a t t e nt i o n   t o   e ff i c i e n c y ,   r e l i a b i l i t y   a n d   s e c ur i t y   r e qui r e m e n t s   [ 2 - 3 ].   S e c ur i t y   i s   o pa ra m o u n t   i m po r t a n c e   i n   M 2M   c o m m u ni c a t i o n s   [4] ,   i f   M 2M   de v i c e s   c a nn o t   s e c ur e l y   a c c e s s   n e t w o r ks   t hr o ug h   e f f i c i e n t   a ut h e n t i c a t i o n,   a l l   a ppl i c a t i o n s   i n v o l v i n g   M 2M   c a nn o t   b e   w i de l y   a c c e pt e d.   H ow e ve r ,   r e c e n t   A ut h e nt i c a t i o a n d   K e y   A gr e e m e nt   (A K A )   p r o t o c o l s   de di c a t e t o   t h e   3G P P   f o r   L o n T e rm   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A   s e c ur e   gr oup   bas e aut h e nt i c at i on  pr ot o c ol   f or   m ac hi n e   t o   m ac h i ne   c om m uni c at i ons   …  ( Mar i y O ua i s s a )   849   E v o l ut i o n   (L T E o r   E v o l ve P a c ke t   S y s t e m   (E P S ),   k n o w n   a s   E P S - A K A   o r   f o r   n o n - 3G P P   a c c e s s   n e t w o r ks ,   kn o w n   a s   E x t e n s i b l e   A ut h e n t i c a t i o n   P r o t o c o l   (E A P - A K A ),   c a nn o t   p r o v i de   s u f f i c i e n t   s e c ur i t y .   In   a d di t i o n,     t o   s uppo r t   M 2M   c o m m u n i c a t i o n s ,   t h e   3G P P   m ob i l e   o pe r a t o r   m us t   a d a pt   i t s   n e t w o r t o   a   l a rge   n u m b e r   of  M T D e v i c e s   (M T CD s ),   w h i c h   c a n   o v e r l o a i t s   n e t w o r r e s o ur c e s   a n i n t r o duc e   c o n ge s t i o n   i nt o   t h e   n e t w o r o n   b o t h   da t a   a n c o n t r o l   pl a n s   [5] .   I n   f a c t ,   c o n ge s t i o n   c a n   o c c ur   due   t o   s i m ul t a n e o us   a ut h e n t i c a t i o n   s i g n a l i n m e s s a ge s   f r o m   M 2M   de v i c e s   [ 6 - 7 ].   If   a   l a r ge   n u m b e r   of   M 2M   d e v i c e s   i n   a   g r o up  n e e t o   a c c e s s   t h e   n e t w o r a t   t h e   s a m e   t i m e ,   t ra di t i o n a l   a ut h e nt i c a t i o n   p r o t o c ol s   (E P S - A K A   o r   E A P - A K A w i l l   s uf fe r   f r o m   a   hi g h   s i g na l   o v e r h e a d ,   l e a di ng  t o   s i gna l i ng,   a ut h e n t i c a t i o n   a n r e duc t i o n   o Q ua l i t y   of   S e r v i c e   (Q o S )   o t h e   n e t w o r [ 8 ].   T h e   r e a s o n   i s   t h a t   e a c h   de v i c e   m us t   pe r fo r m   a   c o m pl e t e   A K A   a ut h e n t i c a t i o n   p r o c e dur e   w i t h   t h e   h o m e   a ut h e n t i c a t i o n   s e r v e r ,   r e s pe c t i v e l y .   G i ve n   t h e   r e l i a b i l i t y ,   t h e s e   t ra di t i o n a l   A K A   p r o t o c o l s   a r e   n o t   s ui t a b l e   f o r   l a r ge - s c a l e   M 2M   c o m m u ni c a t i o n s   [ 9 ].   T h e   m a i n   i de a   o f   pr o po s e pr o t o c o l   i n   t h i s   pa pe r   i s   t ha t   t h e   f i r s t   M T de v i c e   i n   a   g r o up,   w h i c h   w a n t s   t o   a c c e s s   t h e   3G P P   c o r e   n e t w o r k,   pe r f o r m s   a   c o m pl e t e   A K A   a ut h e nt i c a t i o p r o c e dur e .   I t hi s   p r o c e s s ,   t h e   f i r s t   M T de v i c e   ob t a i n s   g r o up  a u t h e n t i c a t i o n   i n f o r m a t i o n   a n a   G r o up  T e m po ra r y   K e y   (G T K o n   be h a l of   o t h e r   M T de v i c e s   i n   t h e   s a m e   g r o up.   T h e n ,   t h e   A ut h e nt i c a t i o n,   A ut h o r i z a t i o n   a n A c c o un t i n (A A A )   s e r v e r   i s   a l l o w e t o   pe r fo r m   m ut ua l   a u t h e nt i c a t i o n   w i t t h e   o t h e r   M T de v i c e s   i n   t h e   g r o up  us i n t h e   ob t a i n e g r o up  a ut h e nt i c a t i o n   i n f o r m a t i o n   a n d   G T K   w i t h o ut   i nt e ra c t i n w i t h   t h e   H o m e   S ub s c r i b e r   S e r v e r   (H S S ).   T h e   a ut h e n t i c a t i o n   de l a y   c a n   b e   r e duc e d   a s   a   w h o l e   a n t h e   s i g na l i n o ve rh e a b e t w e e n   t h e   A A A   s e r v e r   a nd  t h e   H S S   i s   gr e a t l y   r e duc e d.   T h e   pr o po s e A K A   pr o t o c o l   fo r   m a c h i n e   t y pe   c o m m u n i c a t i o n s   c o m b i n i ng  E l l i p t i c   Cu r v e   b a s e D i ff i e - H e l l m a (E CD H [10 o t h e   E A P   p r o t o c o l .         2.   S Y S TE M   A R C H I TEC TU R E   A s   s h ow n   i n   F i g u r e   1,   o u r   c o n s i de r e n e t w o r a r c hi t e c t u r e   i s   b a s e o n   t h e   3G P P   s t a n d a r a nd  c a n   b e   di v i de i n t o   t hr e e   a r e a s   [ 11 - 12 :   A c c e s s   n e t w o r ks ,   i n c l ud i n t h e   3G P P   a c c e s s   n e t w o r k,   w h i c h   a r e   c o m pos e o f   E v o l v e N o de B s   ( e N Bs a n d   n o n   3G P P   a c c e s s   n e t w o r k   s uc h   a s   a   W i r e l e s s   L oc a l   A r e a   N e t w o r (W L A N ) ,   w h i c h   c o n s i s t s   of   w i r e l e s s   A c c e s s   P o i n t s   (A P s ).   E vo l ve P a c ke t   C o r e   (E P C),   i n c l u di n t h e   M o b i l e   M a n a ge m e nt   E n t i t y   (M M E o r   A A A   s e r v e r   t ha t   pe r f o r m s   t h e   a c c e s s   a ut h e n t i c a t i o n   f un c t i o n,   t h e   H S S ,     t h e   G a t e w a y   S e r v i n (S - G W a nd  da t a   n e t w o r G a t e w a y   P a c k e t   (P - G W ) In   o ur   c o n s i de r e n e t w o r a r c hi t e c t u r e ,   t h e   M T C   s e r v e r   i s   l o c a t e o ut s i de   t h e   E P C .             F i gu r e   1 .   S y s t e m   a r c hi t e c t u r e       3.   TH E   P R O P O S ED   G R O U P   A U TH EN TI C A TI O N   P R O T O C O L   W e   pr e s e n t   o ur   pr o po s e gr o up  a ut h e n t i c a t i o n   p r o t o c o l   f or   M T [13 ] ,   w h i c h   ha s   t hr e e   ph a s e s :   i n i t i a l i z a t i o n   p h a s e ,   g r o up  a u t h e n t i c a t i o n   a n ke y   a gr e e m e nt   pha s e   a n G r o up  m e m b e r   s t a t e .   O u r   s c h e m e   c a f a c i l i t a t e   n o n - 3G P P   M T de v i c e s   t o   a c c e s s   t o   3G P P   c o r e   n e t w o r [1 4 ].     3. 1 .       G r o u p   I n i ti al i z at i o n   P h as e   In   t h e   g r o up  i n i t i a l i z a t i o n   p ha s e ,   e a c h   M T de v i c e   h a s   a n   Id e n t i t y   (ID s uc h   a s   Int e rna t i o na l   M o b i l e   S ub s c r i b e r   Ide n t i f i c a t i o n   ( IM S I ) ,   w h i c h   i s   a   p r i v a t e   i de n t i t y   t h a t   i de nt i f i e s   M T de v i c e   a n s h o ul b e   i n s t a l l e i n   t h e   M T C   de v i c e   by   t h e   s uppl i e i o r de r   t o   a l l o w   t h e   M T C   de v i c e   t o   r e gi s t e r   i a   3G P P   n e t w o r k.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   16 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 019   :     8 48 - 8 59   850   E a c h   M T de v i c e   c a l c ul a t e s   i t s   T e m po ra r y   ID   (T ID f ur t h e rm o r e   t h e s e   M T de v i c e s   h a s   p r e s ha r e a   s e c r e t   ke y   w i t h   H S S   a n t h e   M T C   de v i c e s   fo r m   g r o ups   b a s e o n   c e r t a i p r i n c i pl e s   (e . g . ,   b e l o n t o   t h e   s a m e   a ppl i c a t i o n ,   w i t h i n   t h e   s a m e   r e gi o n,   e t c . ),   t h e n   t h e   s uppl i e r   p r o v i de s   a   G r o up  Ide n t i t y   (ID G1 a n a   G r o up  K e y   (G K i t o   e a c h   g r o up  f o r   a ut h e nt i c a t i o n.   A s   s h o w n   i n   T a b l e   1 ,   w e   c r e a t e   a n   i nde t a b l e   t o   m a na ge   i n f o r m a t i o n   of   M T de v i c e s   a n g r o up;   t h e   i nde t a b l e   c o n t a i n s   f i e l ds   o f   gr o up  i de nt i t y ,   M T de v i c e   ID   f o r   e a c h     M T de v i c e .       T a b l e   1 .   T e m po ra r y   I n de T a b l e   o f   G1   G ro u p   G ro u p   ID   M T CD   ID   G1         T ID G1   T ID M T CD G 1 - 1   .   .   T ID M T CD G 1 - n       3. 2 .       G r o u p   A u t h e n ti c at i o n   a n d   K e A gr e e m e n P h as e   W e   a s s um e   t h a t   a   s e c u r e   c o m m uni c a t i o n   c ha nn e l   b e t w e e n   t he   A A A   s e r v e r   a n t h e   H S S   h a s   a l r e a dy   b e e n   e s t a b l i s h e a nd  c a n   p r o v i de   s e c ur i t y   s e r v i c e s   t t h e   t r a n s m i t t e da t a .   W h e n   n o n - 3G P P   M T de v i c e s   i n   G de t e c t   t h e   A P ,   s i m i l a r l y ,   a   g r o up  l e a de r   o f   M T CD s   i n   t h e   g r o up  (M T CD L E A D E R w i l l   b e   s e l e c t e d.   A ut h e nt i c a t i o a n ke y   a g r e e m e n t   p ha s e   a s   f o l l ow s :   S t e 1:   E A P   r e que s t / i de n t i t y   M T CD G1 - 1   s e a r c h e s   f o r   t h e   ID   o t h e   i n t e n de A P ,   w h e n   i t   f i n ds   t h e   A P ,   t h e   M T CD G1 - 1   s e n ds   s t a rt   m e s s a ge   t o   s t a rt   t h e   a ut h e nt i c a t i o m e c h a ni s m .     S t e 2:     T h e   A P   r e que s t s   t h e   M T CD G1 - 1   Ide nt i t y .     S t e 3:   U p o n   r e c e i v i n g   t h e   E A P   R e que s t / Ide n t i t y   m e s s a ge   s e n t   by   A P ,   f i r s t l y ,   t h e   M T CD G1 - 1   c o m put e s   T ID MT CD G 1 - 1   e t   T ID G1 - 1   r e s pe c t i v e l y ,   a n d   t h e M T CD G1 - 1   ge ne r a t e s   A U T H G1   a s   f o l l ow s :     T ID MT CD G 1 - 1   =   f 1 KG1 - 1 (ID MT CD G 1 - 1 )   (1)     T ID G1 - 1   =   f 1 KG1 - 1 (ID G1 )   (2)     E a c h   M T CD   c a l c ul a t e s   i t s   M e s s a ge   A ut h e nt i c a t i o Co de s   ( M A C)  a s   f o l l ow i n g:     MAC MT CD G 1 - 1   =   f 2 KG1 - 1 (ID MT CD G 1 - 1 | | ID G1 )   (3)     A n d   e a c h   M T CD   s e n ds   i t s   M A t o   M T CD L E A D E R   w h o   ge n e ra t e s :     MAC G1   =   M A C MT CD G 1 - 1     MAC MT CD G 1 - 2     M A C MT CD G 1 - 3   …… …    MAC MT CD G 1 -   (4)     A U T H G1   =   (M A C MT CD G 1 - 1 | | ……. . | | M A C MT CD G 1 - n | | M A C G1 )   (5)     S t e 4:   G r o up  a ut h e n t i c a t i o n   a n d   d a t a   r e que s t   m e s s a ge   M T CD G1 - 1   s e n ds   i t s   pa ra m e t e r s   t o   t h e   A A A   s e r v e r   t hr o ugh   A P ,   a n t h e n   t h e   A A A   s e r v e r   f i n ds   o ut   c o r r e s po n di ng  H S S   a c c o r di n ID H SS   a n f o r w a r ds   i t s   p a r a m e t e r s   a n i t s   ow n   ID A A A   t o   t h e   H S S   b y   a ut h e n t i c a t i o da t a   r e que s t   m e s s a ge .   S t e 5:   G r o up  a ut h e n t i c a t i o n   da t a   r e s po n s e   W h e n   t h e   H S S   r e c e i v e s   a ut h e nt i c a t i o da t a   r e que s t   m e s s a ge ,   i t   v e r i f i e s   t h e   i de n t i t y   of   de v i c e   a n t h e   r e c e i v e M A C MT C D G 1 - 1   a n d   M A C G1 .   T h e H S S   c a l c ul a t e s   a   g r o up  t e m po ra r y   ke y   G T K G1 .   H S S   ge n e r a t e s   G r o up  A ut h e n t i c a t i o V e c t o r   (G A V a n d   c a l c ul a t e   A U T H H SS   a n M A C H SS :     G A V   =   (R A N D | | X R E S | | G T K | | A U T H H S S )   (6)     G T K   =   f 3 KG1 (A U T H H SS )   (7)     A U T H H SS   =   (R H SS | | ID H SS | | M A C H SS )   (8 )     MAC H SS   =   f 2 KG1   (ID H SS ||R H SS )   (9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A   s e c ur e   gr oup   bas e aut h e nt i c at i on  pr ot o c ol   f or   m ac hi n e   t o   m ac h i ne   c om m uni c at i ons   …  ( Mar i y O ua i s s a )   851   S t e 6:     T h e   H S S   s e n ds   ID AP ,   G A V ,   K G1   t o   t h e   A A A   s e r v e r   by   a   p r e - e s t a b l i s s e c ur i t y   c h a nn e l .   S t e 7:   G r o up  a ut h e n t i c a t i o n   r e que s t   T h e   A A A   s e r v e r   r e c e i ve s   a n s t o r e s   ID AP ,   G A V ,   a nd  K G1   a n c a l c ul a t e s   M A C AAA ,   a n ge n e r a t e s   A U T H A A A .   A l s o   A A A   ge n e ra t e s   a   ra n do m   v a l ue   a   a n d   c o m put e s   a P ,   a nd  s e n ds   A U T H A A A   a n d   a P   t o   de v i c e :     A U T H A A A   =   (ID AAA | | R A A A | | M A C AAA | | M A C H SS )   (10)     MAC A A A   =   f 2 KG1 (ID AAA | | R AAA | | R H SS   (11)     S t e 8:   G r o up  a ut h e n t i c a t i o n   r e s po n s e   F i r s t l y ,   M T CD G1 - 1   c o m put e s :     G T K = f 3 KG1 (R H S S | | ID H SS )   (12)      T h e M T CD G1 - 1   v e r i f i e s   t h e   r e c e i v e M A C H SS   a n d   M A C AAA :     M A C’ H SS =f 2 KG1 (ID H S S | | R H SS   (13)     M A C’ AAA =f 2 KG1 (ID AAA | | R A A A | | R H SS )   (14)      If   ve r i f i c a t i o n   p a s s e s   t h e   de v i c e   c o m put e s   b P   by   ge n e r a t i ng  a   ra n do m   v a l ue   b ,   a l s o   c o m put e s   i t s   o w M a s t e S e s s i o n   K e y   (M S K a s   E A P - A K A   a n d   R E S G1 .     K MT CD G 1 - 1 =f 4 G T K (a b P )   (15)     R E S G1 =   f 5 K MT C D G 1 - 1 (ID G1 | | ID MT CD G 1 - 1 ||R G1 )   (16)      A n d   s e n ds   i t s   t o   A A A .     S t e 9:   A ut h e n t i c a t i o a c k n o w l e dge   W h e n   t h e   A A A   s e r v e r   r e c e i v e s   t h e   gr o up  a ut h e nt i c a t i o n   r e s po n s e   m e s s a ge ,   i t   c o m pa r e s   R E S G1   w i t h   X R E S G1 .   T h e   A A A   s e r v e r   s e n ds   ID AP   a n M S K   w i t h   E A P   S uc c e s s   m e s s a ge   t o   t h e   A P .   T h e   A P   v e r i f i e s   w h e t h e r   r e c e i v e ID AP   e qua l s   i t s   ow n   ID   o r   n o t .   If   t h e   r e s ul t   i s   i n c o rr e c t ,   t h e   A P   dr o ps   t h e   M S K   a n t h e t e rm i na t e s   t h e   e xe c ut i o n .   O t h e r w i s e   t h e   A P   s t o r e s   t h e   M S K .   T h e n   A P   e n c r y pt s   ID AP   us i n t h e   M S K   a nd  s e n ds   i t   w i t E A P   S uc c e s s   m e s s a ge   t o   M T CD G1 - 1 .   T h e   f ul l   a ut h e nt i c a t i o a nd  ke y   a gr e e m e n t   p r o c e dur e   fo r   o n e   M T de v i c e   i s   c o m pl e t e d.     T h e   p r o c e dur e   i s   s h o w n   i F i g u r e   2 .     3. 3 .       G r o u p   M e m b e r   Jo i n i n g/ L e av i n t h e   G r o u p   In   o ur   s c h e m e ,   t h e   gr o up  ke y   c a n   b e   u s e t o   a ut h e n t i c a t e   H S S   a n M M E .   T h e r e fo r e ,   w h e n   g r o up  m e m b e r s   j o i n   o r   l e a v e   t h e   gr o up ,   t h e   G K   n e e t o   be   upda t e i m m e di a t e l y   s i n c e   i t   w i l l   i n f l ue n c e   t h e   s e c ur i t y   of   t h e   s y s t e m .   M o r e o ve r ,   i f   t h e   G K   i s   us e t o   e n c r y pt   gr o up  m e s s a ge s ,   t h e   g r o up  w h i c h   f o r m e b y   M T C   de v i c e s   r e qui r e s   b a c kw a r a nd  f o r w a r s e c r e c y .   B a c k w a r s e c r e c y   i s   r e qui r e t ha t   a   n e w   M T de v i c e   c a nn o t   ge t   m e s s a ge s   e xc h a n ge b e f o r e   i t   j o i n e t h e   gr o up.   F o r w a rd  s e c r e c y   i s   r e qui r e t ha t   a   l e a v i n o r   e xpe l l e M T de v i c e   c a nn o t   c o n t i nue   a c c e s s i n t h e   g r o up’s   c o m m uni c a t i o n   (i f   i t   ke e ps   r e c e i v i n t h e   m e s s a ge s ).   W h e n   a n   M T de v i c e   w a n t s   t o   l e a v e   t h e   g r o up,   t h e   H S S   w i l l   r e v o k e   t h e   b i n d i n g   r e l a t i o n s hi b e t w e e n   t h e   M T de v i c e   a n d   t h e   g r o up  t ha t   i t   b e l o n gs   t o .   T h us   t h e   M T de v i c e   c a nn o t   l o n ge c o m m u n i c a t e   w i t t h e   c o r e   n e t w o r a s   t h e   gr o up  m e m b e r .   M o r e o ve r ,   t o   pr e v e n t   t h e   o l M T de v i c e   t o   de c r y pt   t h e   n e w   pa c ke t s   o t h e   gr o up  w h i c h   i t   w a s   a b l e   t o   s n i f f ,   t h e   gr o up  ke y   m us t   b e   upd a t e w h e t h e   o l M T de v i c e   l e a v e s   t h e   gr o up.   A f t e r   t h e   o l M T de v i c e   l e a ve s   t h e   gr o up,   a l l   m e m b e r s   of   t h e   gr o up  s h o ul s ha r e   a   n e w   gr o up  ke y .   S i m i l a rl y ,   w h e n   a n   M T de v i c e   w a n t s   t o   j o i n   t h e   g r o up,   a n   a c c e s s   c o n t r o l   o f   t h e   g r o up  i s   n e c e s s a r y   fo r   i t ,   a n i t   n e e ds   t o   pe r f o r m   a   f ul l   A K A   a ut h e nt i c a t i o n   p r o c e dur e   w i t h   t h e   H S S .   M e a n w h i l e ,   t h e   g r o up  ke y   m us t   b e   upda t e w h e n   t h e   n e w   M T de v i c e   w a n t s   t o   j o i n   a   g r o up.   A f t e r   t h e   n e w   M T de v i c e   j o i n s   t h e   g r o up,     a l l   m e m b e r s   o f   t h e   g r o up  s h o ul d   s h a r e   a   n e w   gr o up  ke y .   In  t ha t   c a s e ,   t h e   n e w   M T de v i c e   c a nn o t   de c r y pt   t h e   o l pa c ke t s   o f   t h e   g r o u b e fo r e   i t   j o i n s   i n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   16 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 019   :     8 48 - 8 59   852       F i g u r e   2 .   A u t h e n t i c a t i o n   p r o c e dur e   o f   o ur   p r o po s e d       4.   S EC U R I TY   A N A L Y S I S   W e   a na l y z e   bo t h   f o r m a l   v e r i f i c a t i o n   i m p l e m e n t e d   b y   t h e   s e c uri t y   pr o t o c o l   v e r i f i c a t i o t o o l     A V IS P A   a n s e c uri t y   a n a l y s i s   pr o pe r t i e s   o f   t h e   p r o po s e s c h e m e ,   t o   s h o w   t ha t   t h e   p r o po s e c a n   a c h i e v e s   a l l   t h e   s e c ur i t y   go a l s   [15].     4. 1 .       M u tu al   A u th e n ti c ati o n   an d   K e y   A gr e e m e n t   F i r s t l y ,   fo r   t h e   m ut u a l   a ut h e n t i c a t i o n   w e   c a n   v e r i fy   t h a t   t h e   p r o po s e pr o t o c o l   c a n   pr o v i de   a   s uc c e s s f ul   m ut ua l   a ut h e n t i c a t i o n   b e t w e e n   M T de v i c e s   a n t h e   3G P P   Co r e   N e t w o r (CN by   fo r m a l   v e r i f i c a t i o n   de s c r i b e a s   fo l l ow s :   a l l   t h e   M T de v i c e s   i n   t he   G f i r s t   c a l c ul a t e   t h e i r   M A C MT CD G 1 - a n s e n d   t h e m   t o   t h e   M T l e a de r.   T h e n,   t h e   M T l e a de r   c o l l e c t s   a l l   M A C,   M A C MT CD G 1 - a n c a l c ul a t e s   M A C G1 .   B y   ve r i fy i n M A C G1 ,   t h e   H S S   c a n   i de nt i f y   a l l   M T de v i c e s   a nd  t h e   g r o up.   T h e n,   t h e   H S S   c a l c ul a t e s   M A C H SS ge n e ra t e s   A U T H H SS   a n X R E S G1 ,   a n d   ge n e ra t e s   G A V   f o r   a l l   M T C   de v i c e s   i n   G 1 .   T h e   H S S   s e n ds   G A V   c o n t a i ni n g   A U T H H SS   a nd  X R E S G1   t o   t h e   A A A ;   t h e n ,   t h e   A A A   c a l c ul a t e s   M A C AAA   a n d   ge n e ra t e s   A U T H A A A a n s e n ds   t h e m   t o   a l l   M T de v i c e s   i n   G 1.   By   ve r i fy i n A U T H H SS / A U T H A A A ,   a l l   M T de v i c e s   c a n   t r us t   t h e   H S S   a n d   t h e   A A A .   A l s o   by   v e r i fy i n R E S G1 ,   t h e   A A A   c a n   a ut h e nt i c a t e   a l l   M T de v i c e s   i G 1   [16] .   F o r   ke y   a gr e e m e nt   b e c a us e   a l l   ke y s   us e a m o n e nt i t i e s   a r e   c o m put e w i t h o ut   b e i n t ra n s m i t t e ov e r   a n y   i n s e c ur e   c o m m uni c a t i o n   c h a nn e l s ,   t h e   ke y   a gr e e m e nt   p r o c e dur e   i s   s e c ur e   w h e t h e r   b e t w e e n   t h e   M T de v i c e   a n t h e   A A A   s e r v e r   w h e r e   c a n   a c hi e v e   t hr o ug h   E CD H   w i t h   s y m m e t ri c   ke y ,   a n t h e   M T C   de v i c e   a n d   t h e   A A A   s e r v e r   c a s h a r e   a   s e c r e t   ke y   K M T C D G 1 - 1   o r   b e t w e e n   t h e   M T de v i c e   a n d   t h e   A P   w h e r e   i s   t h e   s a m e   a s   E A P - A K A   a n d   t h e   M T C   de v i c e   a n d   A P   c a s e c ur e l y   c o m m uni c a t e   w i t o t h e by   t h e   M S K .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A   s e c ur e   gr oup   bas e aut h e nt i c at i on  pr ot o c ol   f or   m ac hi n e   t o   m ac h i ne   c om m uni c at i ons   …  ( Mar i y O ua i s s a )   853   4. 2 .       R e s i s tan c e   to   A ttac k   In  t hi s   p a rt   w e   di s c ri b e   v a r i o us   r e s i s t a n c e   m e t h o ds   t o   l i m i t   a t t a c ks   i o u r   m o de l .   4. 2 .   R e s i s t an c e   to   R e p l ay  A ttac k   In  o ur  p r o t o c o l ,   r a ndo m   n u m b e r s   R H SS   ge n e ra t e d   by   t h e   H S S   a n d   R A A A   ge n e ra t e b y   t h e   A A A   s e r v e a r e   t e m po ra r i l y   us e i n   ge n e ra t i n c h a l l e n ge   m e s s a ge s   t ow a r t h e   o ppo s i t e   s i de ,   r e s pe c t i v e l y .   S i n c e   t h e s e   ra n do m   n u m b e r s   us e i n   e a c h   a ut h e n t i c a t i o n   p r o c e dur e   a r e   di f fe r e nt ,   e v e n   i f   a n   a t t a c ke r   a c qui r e s   a   r a ndo m   n u m b e r   i n   a n   a ut h e nt i c a t i o p r o c e dur e ,   h e   s t i l l   c a nn o t   f a ke   c h a l l e n ge   m e s s a ge s   by   r e us i n t h e   r a ndo m   n u m b e r   i a   n e w   a ut h e n t i c a t i o n   p r o c e dur e .     4. 2 .   R e s i s t an c e   to   I m p e r s o n ate   A tta c k   In   o ur   p r o po s e d,   a l l   t h e   M T de v i c e s   of   a   gr o up  s h a r e   a   c o m m o n   G T K ,   t h e   3G P P   CN   c a n   e a s i l y   di s t i ngui s h   o n e   M T de v i c e   f r o m   a n o t h e r   e v e n   t h o ug h   a l l   M T de v i c e s   us e   t h e   s a m e   G T K ,   o n e   M T C   de v i c e   c a nn o t   ge n e r a t e   a   c o r r e c t   pa r a m e t e r s   f o r   a n o t h e r   de v i c e   M T t o   pe r fo r m   a   s uc c e s s f ul   a ut h e n t i c a t i o n   w i t h   t h e   H S S   a n d   c a nn o t   de c r y pt   t ra f f i c   be t w e e n   a n y   o t h e M T de v i c e   a n d   t h e   3G P P   CN .     4. 2 .     R e s i s tan c e   to   D e n i a l   o S e r v i c e   (D o S att ac k   D uri n t h e   a ut h e n t i c a t i o n   f o r   o u r   p r o t o c o l ,   a   m a l i c i o us   M T C   de v i c e   m a y   l a u n c h   a   D o S   a t t a c e i t h e r   t o   t h e   H S S   o r   t o   t h e   A A A   by   s e n di n a n   i n v a l i M A C .   H ow e ve r ,   t h e   H S S   c a n   de t e c t   t h e   i n v a l i M A a n qui c kl y   r e - a ut h e nt i c a t e   t h e   l e gi t i m a t e   M T C   de v i c e s   i t h e   g r o up.       4. 2 .   R e s i s t an c e   to   M an - in - th e   M i d d l e   (M I T M )   A ttac k   In   o ur   p r o po s e pr o t o c o l ,   o n l y   t h e   M T de v i c e s   a n H S S   c a n   o b t a i n   r e a l   ID   i n f o r m a t i o n   o f   t h e   de v i c e s   a n t h e   g r o up  f r o m   e n c r y pt e t e m po ra r y   ID   i n f o r m a t i o n .   A n   a t t a c ke r   c a nn o t   de ri v e   a n d   m o di fy   t hi s   i n f o r m a t i o n.   T h e   A P   r e c e i v e s   t h e   E A P   S uc c e s s   m e s s a ge   w i t ID AP   a n d   M S K   s e nt   b y   t h e   A A A   s e r v e r.   A f t e t h a t ,   t h e   A P   c a n   v e r i fy   w h e t h e r   i t s   o w n   ID   e qua l   t o   t he   r e c e i ve ID   o r   n o t .   If   n o t   t h e   p r o c e dur e   of  a ut h e n t i c a t i o n   a n ke y   a gr e e m e nt   w i l l   f a i l .   O u r   p r o t o c o l   c a n   r e s i s t   a ga i n s t   s e v e r a l   t y pe s   of   m a n - in - t h e   m i d dl e   a t t a c k.     4. 3 .       S e c u r i ty   P r o p e r ty   F r o m   o ur  a na l y s i s   a n c o m pa ri s o n,   w e   de r i v e   t h e   p r o pe r t i e s   of   o ur   pr o po s e pr o t o c o l   w i t h   o t h e r s   A K A   pr o t o c o l s   A K A   pr o t oc o l s :   E A P - A K A   [17],   M u n ’s   p ro t oc o l   [18],   E G - A K A   [19]  a n G L A R M - [20]  pr o t o c o l   a n s h o w   t h e   r e s ul t s   i n   T a b l e   2.   T h e   c o m pa r i s o n   re s ul t s   de m o n s t r a t e   t h a t   o ur   p r o t o c o l   c a n   p r o v i de   t h e   m o s t   c o m pr e h e n s i v e   s e c ur i t y   p e r f o r m a n c e   c o m pa r e t o   t h e   o t h e r   A K A   pr o t o c o l s .   P r ov i di n g r o up  a c c e s s   a ut h e n t i c a t i o n   a n d   h e t e r o ge n e o us   n e t w o r a c c e s s   a r e   t h e   t w o   m a i a dv a nt a ge s   o f   o ur   p r o t o c o l .     In  p a r t i c ul a rl y ,   o ur   p r o po s e pr o t o c o l   m e e t s   t h e   f o l l ow i n s e c ur i t y   pr o pe r t i e s .       T a b l e   2 .   Co m p a r i s o n s   o f   P r o pe r t i e s   a m o n g   t h e   A u t h e n t i c a t i o a nd  K e y   A gr e e m e n t   P r o t o c o l s   V u l n e ra b i l i t y   E A P - AKA   M u n s   p r o t o c o l   G L A RM - 2   EG - AKA   P ro p o s e d   S u p p o r t   g ro u p   a u t h e n t i c a t i o n   No   No   Y e s   Y e s   Y e s   T y p e   o c ry p t o s y s t e m   S y m m e t ri c   S y m m e t ri c   a n d   E CD H   S y m m e t ri c   S y m m e t ri c   a n d   E CD H   S y m m e t ri c   a n d   E CD H   E n s u r e   c o n f i d e n t i a l i t y   o u s e r   i d e n t i t y   No   Y e s   Y e s   Y e s   Y e s   Re s i s t a n c e   a g a i n s t   re p l a y   a t t a c k   Y e s   Y e s   Y e s   Y e s   Y e s   Re s i s t a n c e   a g a i n s t   t h e   D o S   a t t a c k   No   No   Y e s   Y e s   Y e s   Re s i s t a n c e   a g a i n s t   t h e   b l o c k i n g   o s e rv i c e s   b y   a n   M IT M   Y e s   Y e s   Y e s   Y e s   Y e s       4. 4 .       F o r m al   V e r i f i c ati o n   T h i s   s o l ut i o n   w a s   c h e c ke by   t h e   s e c ur i t y   pr o t oc o l   ve r i f i c a t i o n   t o o l   A V IS P A   w h i c h   i n d i c a t e t h a t   i t   i s   a   v e r y   s e c ur e   l e ve l .   T h e   m a i n   a dv a n t a ge   o f   t h i s   t o o l   i s   t h e   a b i l i t y   t o   us e   di ffe r e n t   v e r i f i c a t i o n   t e c hni que s   o n   t h e   s a m e   p r o t o c o l   s pe c i f i c a t i o n .   T h e   p r o t o c o l   de s i gn e r   i nt e ra c t s   w i t t h e   t o o l   by   s p e c i fy i n a   s e c u r i t y   pr o b l e m   i t h e   H i g h   L e v e l   P r o t o c o l   S pe c i f i c a t i o n   L a ng ua ge   (H L P S L ).   T h e   H L P S L   i s   a n   e xp r e s s i v e ,   m o dul a r,   r o l e - b a s e d,   fo r m a l   l a n g ua ge   t ha t   i s   us e t o   s pe c i fy   c o n t r o l - f l o w   pa t t e rn s ,   d a t a - s t r uc t u r e s ,   a l t e rna t i v e     i n t r ude r   m o de l s   a n c o m pl e s e c ur i t y   pr o pe r t i e s ,   a s   w e l l   a s   di f f e r e n t   c r y pt o gr a p h i c   p ri m i t i v e s   a n t h e i a l ge b r a i c   p r o pe rt i e s   [21 ].     T h e   p r i m a r y   go a l   of   o ur   pr o po s e pr o t o c o l   i s   t o   pr o v i de   m ut ua l   A K A   s e r v i c e s   be t w e e n   t h e   M T C   de v i c e s   a n A A A .   W e   o n l y   n e e t o   v e r i fy   t h a t   t h e   p r o po s e pr o t o c o l   c a n   p r o v i de   a   s uc c e s s f ul   m ut u a l   a ut h e n t i c a t i o n   b e t w e e n   t h e   M T de v i c e s   a nd  t h e   A A A   s e r v e r .   W e   n e e t o   v e r i fy   t ha t   t h e   p r o po s e pr o t o c o l   c a n   p r o v i de   a   s uc c e s s f ul   m ut ua l   a u t h e nt i c a t i o n   b e t w e e n   t h e   M T de v i c e s   a n t h e   A A A   by   us i n b a c k - e n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   16 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 019   :     8 48 - 8 59   854   s e r v e r s . I n   t hi s   pa pe r,   w e   o n l y   pr e s e n t   t h e   a ut h e nt i c a t i o n   a na l y s i s   of   o n e   M T de v i c e ,   b a s i c   r o l e s   of   t h e   A A A   a n M T C   de v i c e   a n d   t h e   a u t h e n t i c a t i o n   go a l s   a r e   s h o w n   i F i gu r e s   3 ,   4   a nd  5 ,   r e s pe c t i v e l y .             F i gu r e   3 .   R o l e   of   M T CD     F i gu r e   4 .   R o l e   of   A A A           F i gu r e   5 .   A na l y s i s   go a l s   o f   t h e   m o de l .       W e   r u n   t h e   S e c ur i t y   P r o t o c o l   A n i m a t o r   (S P A N f o r   A V IS P A   i n   O n - t h e - F l y - M o de l - Ch e c ke r   (O F M C)  a n S A T - b a s e d - M o de l - Ch e c ke r   (S A T M C)  m o de s   t o   v a l i da t e   t h e   a b o ve   g o a l s .   T h e   o ut put   o t h e   m o de l   c h e c ki n r e s ul t s   i s   s h o w n   i F i gu r e s   a n d   7.   A c c or d i n t o   t h i s   F i gu r e s ,   w e   c a c o n c l ude   t ha t   o u r   s c h e m e   c a a c h i e v e   t h e   s e c u r i t y   g o a l s   a n w i t h s t a n v a ri o us   a t t a c ks   i n c l ud i n M I T M   a t t a c ks ,   i m pe r s o na t i o n   a t t a c ks ,   D o S   a n r e p l a y   a t t a c ks   u n de r   t h e   t e s t   o f   A V IS P A   a n S P A N   us i n t h e   O F M a n S A T M b a c k - e n ds   w i t a   b o un de n u m b e r   o f   s e s s i o n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A   s e c ur e   gr oup   bas e aut h e nt i c at i on  pr ot o c ol   f or   m ac hi n e   t o   m ac h i ne   c om m uni c at i ons   …  ( Mar i y O ua i s s a )   855         F i gu r e   6 .   R e s ul t s   r e po rt e by   t h e   O F M C   b a c k - e n d     F i gu r e   7 .   R e s ul t s   r e po rt e by   t h e   S A T M C   b a c k - e n d       5.   R ES U LTS   A N D   DISCUSSIO N   In   t hi s   s e c t i o n ,   w e   e v a l ua t e   t h e   pe r f o r m a n c e   of   t h e   pr o po s e d   s c h e m e   i n   t e r m s   o f   s i gn a l i n o v e r h e a d ,   b a n dw i dt c o n s um p t i o a n t ra n s m i s s i o n   c o s t .     5. 1 .       S i gn al i n O v e r h e ad   In  o r de r   t o   e v a l ua t e   t h e   s i g na l i n o v e rh e a d,   w e   a s s um e   t ha t   t h e   n u m b e r   o f   M T de v i c e   i s     t h e   n u m b e r   o f   gr o up  i s     a nd  t h e   n u m b e r   o f   (r e )a ut h e n t i c a t i o n s   i s   .   F o r   E A P - A K A ,   a u t h e nt i c a t i o p r o c e dur e s   pe r f o r m e by   a M T de v i c e   r e qui r e   t h e   t o t a l   n um b e of  s i g n a l i n m e s s a ge s ,   t h e r e   a r e   1 s i g na l i n m e s s a ge s   fo r   o ne   c o m pl e t e   a ut h e nt i c a t i o n   p r o c e dur e .   T hus ,   t h e   n u m b e r   o f   s i g n a l i n g   m e s s a ge   o f   a   M T C   de v i c e   i s   12   a n d   t he   t o t a l   n u m b e r   o f   s i gna l   m e s s a ge   i s   1 2 .   M un ’s   p r o t o c o l   i s   a   n e w   a ut h e n t i c a t i o n   a n ke y   a gr e e m e n t   pr o t o c o l   b a s e o n   E A P - A K A   de s i gn e d   fo r   3G - W L A N   i n t e r w o r ki n g .   T h i s   p r o t o c o l   c o m b i n e s   E CD H   w i t s y m m e t r i c   ke y   c r y pt o s y s t e m   t o   o ve r c o m e   s e v e r a l   v ul n e r a b i l i t i e s .   I n   a dd i t i o n ,   t h e i r   p r o t o c o l   pr o v i de s   P e r f e c t   F o r w a r S e c r e c y   (P F S t o   gua r a nt e e   s t r o n ge r   s e c u r i t y ,   m ut u a l   a ut h e nt i c a t i o n,   a nd  r e s i s t a n c e   t o   r e pl a y   a t t a c k.   I n   t h i s   p r o t o c o l ,   t h e   M T de v i c e   r u n s   a   f ul l   a ut h e nt i c a t i o us i ng  8   m e s s a ge s   a t   o n e   t i m e ,   a   t o t a l   o f   8   m e s s a ge s   i s   r e qu i r e d.   S i m i l a r l y ,   w h e   M T de v i c e s   b e l o n gi n g   t o     g r o up  p e r f o r m   a u t h e n t i c a t i o n ,   s o   a   t o t a l   o f   M un ’s   p r o t o c o l   i s   8   m e s s a ge s .     Co n c e rn i ng  E G - A K A ,   a   g r o up  A K A   p r o t o c o l   f o r   L T E   n e t w o r ks   i s   f o r   3G P P   M T de v i c e s   t o   a c c e s s   t h e   c o r e   n e t w o r ov e r   n o n - 3G P P   a i r   i nt e r f a c e s .   O v e r a l l   de l a y   of   t h e   c urr e nt   A K A   fo r   a   s i n gl e   us e r   t a ke s   l o n g   b e c a us e   of   a   r o u n d - t r i p   de l a y   t o   t h e   b a c ke n o f   t h e   a ut h e nt i c a t i o s e r v e r   i n   a   c o r e   n e t w o r k.   I n   o rde t o   i m p r o v e   t h i s   de l a y ,   E G - A K A   i s   de s i gn e t o   r e duc e   t h e   num b e r   o f   a c c e s s i n t i m e s   t o   t h e   a u t h e n t i c a t i o n   s e r v e r .   T h e   f i r s t   M T de v i c e   i n i t i a t i n a ut h e n t i c a t i o n   i t h e   g r o up  c o m pl e t e   t h e   w h o l e   pr o c e dur e   of  a ut h e n t i c a t i o n   a n d   t h e   n u m b e r   o f   s i gna l i n m e s s a ge   i s   8 .   T he   r e s t   de v i c e s   of   t h e   g r o up  o nl y   n e e s i g n a l i ng  m e s s a ge s   F o r   o ur   pr o po s e pr o t o c o l ,   t o   c o m pl e t e   a   gr o up  a ut h e n t i c a t i o n   p r o c e dur e   t h e   f i r s t   M T n e e ds   7   m e s s a ge   of  s i gna l i z a t i o n .   T h e   r e s t   de v i c e s   of   t h e   gr o up  o n l y   n e e s i gna l i ng  m e s s a ge s .   I n   t h i s   s c e n a ri o ,   t h e   n u m b e r   o t h e   r e s t   de v i c e s   i s     −    a n t h e   t o t a l   n u m b e r   of   s i gn a l i n m e s s a ge   i s   7   +   5(   −  ).   If   e a c h   de v i c e   e xe c ut e s   a n o t h e     r e - a ut h e n t i c a t i o n s ,   t h e n   t h e   t o t a l   n u m b e r   o f   s i gn a l i n g   m e s s a ge   i s   7 +   5( +   5(     1) .     F i gu r e   i l l us t r a t e s   t h e   c o m pa r i s o n   o f   t h e   n um b e r   o f   s i gna l i ng  m e s s a ge s   w i t h   t h e   c ha n ge   o f   t h e   n u m b e r   o f   M T de v i c e s .   A c c o r di n g   t o   t hi s   F i gu r e s   i t   c a b e   s e e n   t ha t   o u r   p r o po s e pr o t o c o l   i s   m uc h   l e s s   t h a t ha t   o f   o t h e r   e xi s t i n g   s c h e m e s   a nd  o ut pe r f o r m s   t hi s   a ut h e n t i c a t i o n   p r o t o c o l s   t hi s   i s   b e c a us e   o ur   p r o t o c o l   s h i f t s   t h e   i m pa c t   o f   t h e   n u m b e r   o f   M T de v i c e s   o n   n e t w or t o   t h e   i m pa c t   o f   t h a t   o f   t h e   n um b e r   o f   M T C   de v i c e   gr o ups   o n   n e t w o r k.   T h e   p r o po s e s c h e m e   c a n   l a r ge l y   r e duc e   t h e   a ut h e nt i c a t i o n   s i g na l i n o v e r h e a d   a n r e l i e v e   t h e   c h a r ge   o f   e N B s / A P s   a n t h e   M M E / A A A   s e rv e r .   T h us ,   o u r   s c h e m e   c a n   e n s u r e   Q o S   fo r   M T de v i c e s   w i t h o ut   r e s t r i c t i o o t h e   a c c e s s   r e q ue s t s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   16 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 019   :     8 48 - 8 59   856       F i gu r e   8 .   Co m p a r i s o o f   s i g n a l i n g   o v e r h e a d       5. 2 .       Ban d w i d th   C o n s u m p ti o n   In   o r de r   t o   a n a l y z e   t h e   b a n dw i dt h   c o n s um pt i o n ,   w e   a s s um e   t h a t   A V s   a r e   t r a n s m i t t e e v e r y   t i m e   t h e   H S S   s u c c e s s f ul l y   a ut h e n t i c a t e s   o n e   M T de v i c e ,   a n d   t h e r e   a r e   n   M T de v i c e s   fo r m i n m   g r o ups .     T a b l e   3   s h o w s   t h e   s e t t i ng  o f   pa r a m e t e r s   f o r   e v a l ua t i n g   b a n d w i dt c o n s um p t i o n.         T a b l e   3 .   S e t t i n g   o f   P a r a m e t e r s   P a ra m e t e r s   V a l u e   ( b i t s )   T ID / ID   128   G T K   128   X R E S / RE S   128   RA N D / R   128   E CD H   k e y   192   M A C   64       T h e   b a n dw i dt h   c o n s um pt i o n   o f   A K A   pr o t oc o l s   a r e   a s   fo l l ow s ,   w h e r e     r e pr e s e nt s   t h e   b a n dw i dt h   c o n s um pt i o n   o f   t h e   a ut h e n t i c a t i o n   o f   t h e   f i r s t   M T CD .   B a ndw i dt h   a na l y s i s   of   E A P - A K A :   t h e   s i z e s   of   a ut h e n t i c a t i o n   m e s s a ge s   a r e   c a l c ul a t e a s   f o l l ow s :                  |             |                             (17)     T h e   o ve r a l l   b a n dw i dt c o n s um p t i o f o r     de v i c e s   i s   c a l c ul a t e a s   ×   (704   +   608 ).     B a n dw i dt a na l y s i s   of   M un ’s   p r o t o c o l :   t h e   s i z e s   o f   a ut h e nt i c a t i o n   m e s s a ge s   a r e   c a l c ul a t e a s   f o l l ow s :                  |             |                      (18)       T h e   o ve r a l l   b a n dw i dt h   c o n s u m pt i o n   f o r     de v i c e s   i s   c a l c ul a t e a s   n   ×   2432 .   B a n dw i dt h   a na l y s i s   of  EG - A K A :   t h e   s i z e s   o f   a ut h e nt i c a t i o n   m e s s a ge s   a r e   c a l c ul a t e a s   f o l l ow s :                  |             |                      (19)                           |             |                      (20)     W h e r e   b w r e m a i n i ng  r e p r e s e n t s   t h e   b a n dw i dt c o n s um p t i o n   o f   a ut h e n t i c a t i o n   o f   e a c h   r e m a i ni n M T C   de v i c e s .   T h e   o v e r a l l   b a n dw i dt h   c o n s u m pt i o f o r     de v i c e s   i s   c a l c ul a t e a s   m   ×   2688   +   (   m )   ×   10 24.     B a n dw i dt a na l y s i s   of   t h e   p r o po s e pr o t o c o l :   t h e   s i z e s   o f   a ut h e n t i c a t i o n   m e s s a ge s   a r e   c a l c ul a t e a s   f o l l ow s :                    |             |                      (21)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A   s e c ur e   gr oup   bas e aut h e nt i c at i on  pr ot o c ol   f or   m ac hi n e   t o   m ac h i ne   c om m uni c at i ons   …  ( Mar i y O ua i s s a )   857   M e s s a ge =   3| ID |   +   | R |   +   | M A C|   =   576   b i t s .   M e s s a ge =   4| ID |   +   | R |   +   | M A C|   =   704   b i t s .   M e s s a ge =   2| R |   +   | X R E S |   +   | G T K |   +   | ID |   =   640  b i t s .   M e s s a ge =   | R |   +   | E CD H   ke y |   =   320  b i t s .   M e s s a ge = | R E S |   +   | E CD H   ke y |   =   32 b i t s .   M e s s a ge =   | ID |   +   | M S K |   =   256   b i t s .                         |             |                     (22)     W h e r e   b w r e m a i n i ng   r e p r e s e n t s   t h e   b a n dw i dt c o n s um p t i o n   o f   a ut h e n t i c a t i o n   o f   e a c h   r e m a i ni n M T C   de v i c e s .   M e s s a ge =   | R |   +   | M A C|   +   | E CD H   ke y |   =   384  b i t s .   M e s s a ge =   | R E S |   +   | E CD H   ke y |   =   320   b i t s .   M e s s a ge =   | ID |   +   | M S K |   =   256   b i t s .   T h e   o v e r a l l   b a n dw i dt h   c o n s u m pt i o f o r     de v i c e s   i s   c a l c ul a t e a s   28 16  ×   m   + 9 60  (     )   b i t s .   W e   pr e s e n t   t h e   b a n dw i dt h   c o n s u m pt i o n   c o m pa ri s o n   o f   t h e   p ro pos e s c h e m e   a n o t h e r   r e l a t i v e   A K A   pr o t o c o l s .   T h e   c o m pa r i s o o f   b a n dw i dt h   c o n s um pt i o n   i s   s how n   i n   F i g u r e   9.   F r o m   F i gu r e s ,   w e   c a n   s e e   t h a t   th e   b a n dw i dt h   c o n s u m pt i o o f   o ur   p r o po s e pr o t o c o l   i s   b e t t e t ha t ha t   o f   e xi s t i ng  s c h e m e s .             F i gu r e   9 .   Co m p a r i s o o f   b a n dw i dt c o n s um p t i o n       5. 3 .       C o m p u tati o n al   D e l a ys   W e   m a i n l y   c o n s i de r   t h e   c o s t   of   t h e   fo l l ow i n o pe ra t i o n s   c r y pt o gra p h i c   a c c o r di ng  t o   [ 22]  i n c l udi ng  a   po i n t   m ul t i p l i c a t i o n   T m u l   ,   a   pa i r i ng  o pe r a t i o n   T p ai r   a n a   m a t o   po i n t   h a s h   o pe r a t i o n   T m t p   a n t h e   ha s h   o pe r a t i o n   T h as h .   T h e   c o s t   of   X O c a n   b e   n e gl i g i b l e .   T a b l e   de m o n s t r a t e s   t h e   a v e r a ge   e l a ps e t i m e   of   f i ve   c r y pt o gr a p h i c   o pe ra t i o n s .       T a b l e   4 .   T i m e   Co s t   o f   Cr y pt o gr a p hi c   O pe ra t i o n s   us e i Co m pa ri n g   Co m put a t i o na l   D e l a y s   O p e ra t i o n   S y m b o l   T i m e   s )   H M A C - S H A - 256   T h a s h   67   M u l t i p l i c a t i o n   o v e r   e l l i p t i c   c u r v e   T m u l   612   A d d i t i o n   o v e e l l i p t i c   c u rv e   T a d d   125   M a p t o P o i n t   h a s h   f u n c t i o n   T m t p   525   P a i ri n g   T p a i r   4514       T h e   A A A   a n t h e   M M E   i n   t h e   c o r e   n e t w o r a n t h e   de v i c e s   e xe c ut e   m a n y   c r y pt o gr a p hi c   o pe r a t i o n s   i n   t h e   p r o c e s s   of   m e s s a ge   ge n e r a t i o n.   W e   a n a l y z e t h e s e   c r y pt o gr a p hi c   o pe r a t i o n s   i n   e a c h   m e s s a ge   a n d   s um m e t h e   e l a ps e t i m e   of   t h e   o pe r a t i o n s   fo r   a l l   m e s s a ge s   t ha t   c o n s i s t   o f   t h e   A K A   a s   a   w a y   t m e a s ur e   a n d   c o m pa r e   t h e   c o m put a t i o n a l   de l a y s   o f   t h e   s t a n da rd  p r o t o c o l   E A P - A K A   a n d   o ur  p r o po s e d.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.