Introducing key extraction to secrecy amplification protocols for ad-hoc networks

RNDr. Lukáš Němec

Doctoral thesis

Abstract:

Bezdrátové senzorové sítě jsou typicky silně distribuované sítě s mnoha jednotlivými zařízeními. V našem výzkumu se soustředíme na sítě s desítkami až tisíci jednotlivých uzlů, které spolu komunikují rádiem. Jednotlivé uzly jsou obvykle co nejmenší a nejlevnější a jsou omezeny v několika směrech, především s ohledem na energii a utajenou komunikaci. Naše práce řeší problém, jak mohou být klíče kryptograficky chráněných propojení mezi komunikujícími senzorovými uzly průběžně znovu zabezpečeny i v přítomnosti útočníka, který dokáže číst paměť zachycených uzlů. Dva již existující přístupy k problému (znovu)ustavení linkového klíče v distribuovaných senzorových systémech jsou amplifikace a extrahování klíče z kolísání rádiového kanálu. Amplifikační protokol umožňuje skupině sousedních uzlů spolupracovat na opětovném zabezpečení dříve kompromitovaných klíčů pomocí nekompromitovaných cest a předchozí výzkum ukázal schopnost amplifikačních protokolů zlepšit zabezpečení sítě z 50 % kompromitovaných klíčů na 90 % zabezpečených klíčů. Extrakce klíče pak využívá vlastnosti rádiového kanálu ke generování tajných bitů sdílených mezi dvěma rádiovými zařízeními. Amplifikace i extrakce klíčů mají za příznivých podmínek slibné výsledky a jejich slabiny by mohly eliminovat různé kombinace. Proto navrhujeme dva nové protokoly, které kombinují oba přístupy do jednoho -- entropií řízená amplifikace utajení a davová entropie. Abychom vyhodnotili výkon našich nových protokolů, provedli jsme řadu experimentů, jak na reálném testovacím prostředí, tak v simulacích, porovnávali jsme nejen naše nové protokoly, ale také původní přístupy, na kterých naše protokoly stavíme. Na základě výsledků tvrdíme, že žádný z hodnocených protokolů nepřekonává globálně ostatní ve všech možných scénářích. Přesto, jakmile se zaměříme pouze na jeden konkrétní případ, můžeme optimalizovat výběr protokolu. Navrhujeme proto použití více různých protokolů s možností dynamického přepínání mezi nimi. Ještě pokročilejší přístup by mohl využívat více protokolů současně, a dokonce by umožňoval výměnu informací mezi nimi. Složení použitých protokolů a důležitost každého zvoleného protokolu by měla být dána samotnou sítí a jejími znalostmi o okolním prostředí.

Abstract:

Wireless sensor networks (WSNs) are typically highly distributed networks with many individual devices. In our research, we consider networks with tens up to thousands of individual nodes that communicate with each other over radio. Individual nodes usually are as small and cheap as possible and are limited in several ways, mainly with respect to the energy and communication with each other. Our work addresses the issue how cryptographic link keys between communicating sensor nodes can be continuously re-secured even in presence of an attacker who can read the memory of captured nodes. Two already existing approaches to the problem of link key (re-) establishment in distributed sensor systems are secrecy amplification and key extraction from radio channel fading. A secrecy amplification protocol lets a group of neighboring nodes cooperate together to re-secure previously compromised link keys using the non-compromised paths, and previous research showed the ability of secrecy amplification protocols to improve the security of a network from 50% of compromised link keys to 90% of secure keys. Key extraction then exploits radio channel properties to generate secret bits shared between two radio-enabled devices. Both secrecy amplification and key extraction have promising results in favorable conditions, and various combinations of these could eliminate their weaknesses. Therefore we propose two new protocols that combine both approaches into one -- entropy driven secrecy amplification and entropy crowdsourcing. In order to evaluate the performance of our new protocols, we had performed series of experiments, both on real testbed and in simulations, comparing not only our new protocols, but also the original approaches which we build our protocols upon. Based on the results, we argue that none of the evaluated protocols outperform the others globally in all possible scenarios. Still, once we focus only on one specific case, we can optimize the protocol selection. We, therefore, suggest the use of multiple different protocols with the option of dynamically switching in between them. Even more advanced approach could run multiple protocols at the same time, even allowing for information exchange in between them. The composition of used protocols and the importance of each one selected should be dictated by the network itself and its knowledge about the surrounding environment.

Keywords

adaptive, autonomous, cryptography, distributed, key extraction, protocol, security, secrecy amplification, wireless radio communication, wireless sensor networks

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 3. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 17. 6. 2022
• Supervisor: prof. RNDr. Václav Matyáš, M.Sc.
• Reader: Ph.D. Rodrigo Román Castro, PhD Amit Kumar Mishra

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Computer Science / Computing Technology and Methodology