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Zezschwitz, Emanuel von (2016): Risks and potentials of graphical and gesture-based authentication for touchscreen mobile devices: balancing usability and security through user-centered analysis and design. Dissertation, LMU München: Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik
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Abstract

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.

Abstract

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.