Secure Assay Execution on MEDA Biochips to Thwart Attacks Using Real-Time Sensing
Secure Assay Execution on MEDA Biochips to Thwart Attacks Using Real-Time Sensing
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使用实时传感在 MEDA 生物芯片上安全执行检测以阻止攻击
DOI：
10.1145/3374213
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发表时间：
2020
影响因子：
1.4
通讯作者：
Karri, Ramesh
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Liang, Tung-Che;Shayan, Mohammed;Chakrabarty, Krishnendu;Karri, Ramesh
数字微流控生物芯片（DMFB）已成为DNA测序，临床化学和即时诊断的一个有前途的平台。最近的研究表明，DMFB容易受到各种类型的恶意攻击。由于片上传感器资源的限制，到目前为止提出的防御措施只提供概率安全保证。微电极点阵列（梅达）生物芯片是下一代DMFB，能够实时感测芯片上的液滴位置，以液滴位置图的形式捕获。我们提出了一种安全机制，其通过重建测序图来验证分析执行（即，测定规范），并将其与黄金测序图进行比较。我们证明，有一个独特的（一对一）映射从一组液滴位置图（在测定的持续时间）的一组可能的测序图。由于攻击而导致的液滴位置图中的任何偏差都通过该对策来检测，因为所得的导出测序图与原始测序图不同构。我们通过模拟对现实生活中的生物测定的攻击来突出安全机制的强度。我们还解决的问题，建议的机制可能会引起错误的警报时，一些流体操作梅达生物芯片上执行。为了避免这种错误警报，我们提出了一种增强的传感技术，提供细粒度的安全机制的传感。
Digital microfluidic biochips (DMFBs) have emerged as a promising platform for DNA sequencing, clinical chemistry, and point-of-care diagnostics. Recent research has shown that DMFBs are susceptible to various types of malicious attacks. Defenses proposed thus far only offer probabilistic guarantees of security due to the limitation of on-chip sensor resources. A micro-electrode-dot-array (MEDA) biochip is a next-generation DMFB that enables the real-time sensing of on-chip droplet locations, which are captured in the form of a droplet-location map. We propose a security mechanism that validates assay execution by reconstructing the sequencing graph (i.e., the assay specification) from the droplet-location maps and comparing it against the golden sequencing graph. We prove that there is a unique (one-to-one) mapping from the set of droplet-location maps (over the duration of the assay) to the set of possible sequencing graphs. Any deviation in the droplet-location maps due to an attack is detected by this countermeasure because the resulting derived sequencing graph is not isomorphic to the original sequencing graph. We highlight the strength of the security mechanism by simulating attacks on real-life bioassays. We also address the concern that the proposed mechanism may raise false alarms when some fluidic operations are executed on MEDA biochips. To avoid such false alarms, we propose an enhanced sensing technique that provides fine-grained sensing for the security mechanism.
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