Key distribution and authentication protocols for wireless sensor networks

Mgr. Petr Švenda, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Protokoly pro distribuci klíčů a autentizaci v bezdrátových senzorových sítích Abstrakt tezí disertační práce, Petr Švenda Bezdrátové senzorové sítě (WSN) se skládají z kombinace několika výkonných zařízení (označovaných jako „base stations“ nebo „sink“, dále základna) a velkého počtu (1000 - 1000000) levných zařízení (označovaných jako „nodes“ nebo „motes“, dále uzly) s extrémně omezenou výpočetní sílou, pamětí a energií. Jednotlivé uzly jsou vybaveny snímačem okolního prostředí (např. teplota, tlak, světlo, pohyb). Data zaznamenaná snímači jsou lokálně předzpracována a poté zasílána základně k dalšímu zpracování. Využití WSN je očekáváno v širokém škále oblastí jako detekce nouzových situací (lesní požáry), energetika (stav el. drátů), lékařská sledování (teplota, tlak krve, pohyb pacientů), monitorování divoké zvěře nebo řízení bojiště (pohyb jednotek, akustická detekce polohy odstřelovačů). Použitelnost běžných kryptografických technik je omezená z důvodu velkého množství komunikujících stran, malé nebo chybějící fyzické odolnosti koncových uzlů proti útočníkovi (uzly tak musí být vnímány jako nedůvěryhodné) a omezené nebo chybějící apriorní znalosti o topologii sítě. Cílem naší práce jsou související oblasti distribuce klíčů a autentizačních protokolů v prostředí WSN. Pro pre-distribuci klíčů pro velké množství uzlů s malou pamětí byl navržen koncept náhodnostní pre-distribuce klíčů, ve kterém jsou uzly schopny nalézt sdílený klíč pouze s danou pravděpodobností. Varianty tohoto konceptu bohužel neposkytují dostatečnou odolnost v případě, že je část uzlů kompromitována útočníkem, jak bylo ukázáno koluzním útokem a útokem generováním falešných identit. Jeden z hlavních problémů současných pre-distribučních technik pro WSN spočívá v globálně použitelných klíčích v prostředí s nedostatkem globálního řízení z důvodů chybějící fyzické kontroly jednotlivých uzlů, obtížné detekce útoku a energeticky nákladné komunikace. Práce se zaměřuje na následující problémy: V rámci disertační práce navrhujeme práci na následujících oblastech: 1. Otevřená výměna klíčů: Nalezení rychlého a efektivního způsobu výměny, který maximalizuje úspěšnost následné amplifikace bezpečnosti. 2. Amplifikace bezpečnosti: Nalezení metod s rozumnou komunikační složitostí, které minimalizuje počet kompromitovaných klíčů z první fáze. 3. Varianty útočníkových taktik: Prověření dopadu různých útoků proti infekci klíči a souvisejícími metodami a odhad úspěšnosti připraveného útočníka s možností selektivní kompromitace uzlů.

Abstract:

Wireless sensor network (WSN) consist of a mesh of a several powerful devices (denoted as base stations or sink) and a high number (1000 - 1000000) of a low-cost devices (denoted as nodes or motes), which are severely constrained in processing power, memory and energy. The nodes are equipped with an environment sensor (e.g., heat, pressure, light, movement). Events recorded by the sensor nodes are locally aggregated and then forwarded to a base station for further processing. WSNs are expected to be in wide use for a multitude of different scenarios such as emergency response information (wild fire detection), energy management (conditions of physical wires), medical monitoring (temperature, blood pressure), wildlife monitoring or battlefield management (units movement, sniper position acoustic detection). Usability of common security approaches there is limited as high number of parties is involved, terminal sensor nodes can have no or little physical protection and should be therefore assumed as an untrusted and network topology knowledge is limited or not known in advance. We focus on area of key (pre-)distribution and authentication in WSNs. Until now, novel concept of probabilistic key pre-distribution where nodes can establish link key only with certain probability was proposed with various modifications. However, issue of the resilience against the node capture was raised by proposed powerful attacks (Sybil attack, collusion attack). The one of the main problems of the current key pre-distribution techniques in WSNs is such that globally usable secrets are applied in an environment with a lack of global control since there is no physical control, lack of intrusion detection (distributed voting, revocation, ...) and communication can be rather expensive. Our main goal is to verify whether we can obtain a substantial security gain in comparison to existing approaches in key distribution if restricted, but still reasonable attacker model is assumed, and to develop appropriate methods. We based our work on novel concept of plaintext key exchange (key infection), where initial exchange of key material between direct neighbours is performed without any link security. Exchange is followed by the secrecy amplification phase where neighbour nodes helps to decrease the number of keys, which remains compromised after first phase. The work focus on the following topics: 1. Plaintext key exchange: Issue to be solved is how the initial exchange can be performed resulting in good background for subsequent secrecy amplification as fast as possible. 2. Secrecy amplification: How to perform secrecy amplification to obtain maximal number of non-compromised link and point-to-point keys with reasonable communication overhead. 3. Variants of possible attacker tactics: Impacts of attacks against key infection and related approaches. How successful can attacker be against previous strategies if he can prepare for eavesdropping and/or selectively capture the nodes.

Keywords

security, wireless sensor networks, key distribution, secrecy amplification, key infection

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 6. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2008

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Applied Informatics / Applied Informatics