On automated evaluation of key management schemes in wireless sensor networks

RNDr. Filip Jurnečka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V této dizertaci se zaměřujeme na schémata pro správu klíčů (KMSs) specificky zaměřená a vytvořená pro bezdrátové senzorové sítě (WSNs). Tyto heterogenní sítě se skládají z desítek až teoreticky stovek tisíc malých nevýkonných zařízení nazývaných (sensorové) uzly. Případně může být v síti přítomno jedno nebo více zařízení vyšší úrovně zvané základní stanice, které slouží jako brány do jiných sítí nebo řídící "standardní" počítač(e). Bezdrátové senzorové sítě poskytují specifickou oblast pro výzkum díky výraznému omezení jejich uzlů. Typický uzel bezdrátové senzorové sítě má velmi omezené kapacity v oblastech výpočetní rychlosti, velikosti paměti a životnosti uzlu, jelikož je napájen pouze bateriemi. Navíc se taková zařízení často rozestavují do nepřístupných nebo dokonce nepřátelských prostředí přičemž nejsou vybaveny žádným hardwarem odolným vůči fyzické manipulaci. Takové zařízení je tudíž volně přístupné útočníkovi, který může jednoduše vyčíst všechna uložená data, manipulovat s nimi i s uzlem samotným, přeprogramovat jej atd. Toto je známé jako útok "zajmutí uzlu". Navzdory těmto omezením se očekává, že tato zařízení budou velice levná na výrobu a tudíž poskytnou lákavou platformu pro různé aplikace jako například monitorování klimatu, pohybu divoké zvěře, ve vojenství či zdravotnictví. Schémata pro správu klíčů jsou pak prvním stavebním kamenem pro budování bezpečnosti na zranitelných systémech jako jsou bezdrátové senzorové sítě. Existuje velké množství navržených schémat, ale každé je zaměřené na jiný cíl a jinou techniku. Existují taxonomie a hodnocení vlastností těchto schémat, které se snaží usnadnit orientaci v tomto širokém prostoru, ale obsáhlejší vyhodnocení těchto schémat je obyčjně děláno analyticky a ručně. Takový proces je pak náchylný k chybám a nekonzistentnostem. Tuto dizertaci začínáme právě s takovou manuální analýzou dříve publikovaného schématu. Tento proces vykazuje své benefity jasnějším pochopením slabých míst zkoumaného schématu, což nám umožňuje snáze navrhnout vylepšení. Na druhou stranu je takový postup časově náročný. Navíc je těžké vztáhnout nalezené problémy a vyhodnocení našich návrhů k jiným schématům, která byla analyzována manuálně, ale za účelem ukázání jiných vlastností, v závislosti na současném projektu nebo zájmu autorů dané analýzy. Přestože jsou naše nově navrhnutá schémata originální, připomínají jiná dříve navrhnutá schémata. Především naše druhé schéma je přímo kombinací dvou dříve publikovaných schémat. Proto prozkoumáme aktuální stav existujících schémat, jejich tanoxnomií a kritických vlastností pro nalezení nejdůležitějších charakteristik těchto schémat. Tyto charakteristiky pak budou použity později v této práci při popisu našeho nástroje pro automatické ohodnocení těchto schémat. Jako následek výběru řešení při navrhování našich nových schémat se zaměříme na různé způsoby poskytnutí autenticity na reálném zařízení a prozkoumáme efektivity každého řešení. Primárně nás zajímá využití šifrování za účelem autentizace, které bylo používáno až do sedmdesátých let dvacátého století, protože dnes nejběžnější senzorové uzly často obsahují AES koprocesor, který umožňuje velmi rychlý výpočet šifrovací operace na jinak pomalém mikrořadiči. Část dizertace se zabývá výběrem vhodného nástroje na tvorbu automatického systému hodnocení schémat pro bezdrátové senzorové sítě. Využíváme dřívější práce nalézající rozdíly mezi chováním uzlů v reálném světě a v simulátoru a rozšíříme ji nalezením rozdílů mezi několika vybranými s

Abstract:

imulátory. Naše nálezy nám pak poslouží k výběru nástroje, který rozšíříme naším vlastním rámcem pro umožnění automatického vyhodnocení vlastností schémat pro správu klíčů v bezdrátových senzorových sítích. Hlavní část práce je věnována popisu implementace našeho rámce. Tato část popisuje mnohé návrhové problémy, implementované komponenty, komunikační vrstvy a experiment navrhnutý specielně pro naši potřebu. Tento experiment spolu s navrhnutými množinami parametrů dovoluje hodnotit libovolná schémata (pro správu klíčů) v několika bězích tak, že v budoucnu bude možné je všechna porovnávat vůči tomuto jednomu referenčnímu bodu. Na konec použijeme náš rámec na vyhodnocení několika navrhnutých strategií pro zajímání uzlů. K běžně uvažované náhodné strategii navrhneme tři nové, realistické způsoby pohybu útočníka v síti a vyhodnotíme jejich úspěšnost na několika sítích opatřených různými schématy pro správu klíčů.

Abstract:

In this dissertation thesis we focus on key management schemes (KMSs) specifically designed for wireless sensor networks (WSNs). These heterogeneous networks consist of tens to theoretically hundreds of thousands of tiny low-end devices called (sensor) nodes or motes. Optionally, one or a small number of higher class devices - called base stations are used in the network as gateways to other networks or controlling "standard" computer(s). Wireless sensor networks provide a specific area for researchers due to the limited resources of the nodes. A typical WSN node is highly constrained in terms of computational speed, memory size, and limited lifetime due to being powered by a set of batteries. Furthermore, such devices are often deployed in inaccessible or even hostile environments while not being equipped with any tamper resistant hardware. Thus an attacker can access a node and read out all its stored information, manipulate the node, reprogramme it, etc. This is known as a node capture attack. Despite these limitations, these devices are envisioned to be very cheap to produce and thus provide a tempting platform for a variety of applications such as climate monitoring, wildlife movement pattern monitoring, military or healthcare. Key management schemes are then the first building stone supporting security in exposed systems such as WSNs. However, there are many proposed schemes, all proposed with different objectives and techniques in mind. Some taxonomies and evaluations of KMS properties have been established to make it easier for developers and researchers to navigate through these schemes. However, encompassing comparative evaluation of KMSs is usually done analytically by hand. As such, the process is prone to mistakes and inconsistencies. We begin the thesis with such a manual analysis of a published scheme. The process shows its benefits by illuminating the exact weak spots of the scheme enabling us to propose improvements and thus incrementing the number of proposed KMSs for WSNs. On the other hand, the process is rather time consuming and it is difficult to relate our findings and evaluations of the proposals to other works that have all been evaluated in a specific manner depending on the authors and their current project or interest. Our newly redesigned KMSs are original. However, they bear some resemblance to previous works as one of the two redesigned schemes is actually a combination of two earlier schemes. Therefore, we investigate the body of existing schemes, their taxonomies and critical properties extensively in order to figure out the critical characteristics of a KMS. These are used later in the thesis when we describe our final tool for automatic evaluation. As a result of a choice during the proposal design we chose to investigate various ways of providing authentication on a real WSN hardware and examine the efficiency of each solution. We are mainly interested in utilization of encryption for authentication, which has been used until 1970s, as the common nodes nowadays contain an AES coprocessor enabling very fast computation of encryption on the otherwise slow microcontroller. A portion of the thesis deals with research on finding and selecting an appropriate tool for automated evaluation of a WSN system. We take advantage of a previous work finding differences between the real world nodes behaviour and desktop based simulators output and continue in the work by finding differences between several selected simulators. These findings serve us to select the tool that we enrich by our custom framework to enable an automated evaluation of KMSs for WSNs. The main part of the thesis is devoted to describing the implementation of our framework. It discusses many design issues, components, the communication stack of the framework and a custom experiment designed specifically for automated evaluation of KMSs for WSNs. This experiment and the proposed settings values could unify the evaluation process in su

Abstract:

ch a way that all future evaluations would be able to use a single point of reference. Finally, we use our framework for evaluating various node capturing strategies for multiple KMSs. We propose three new realistic strategies for capturing the nodes in the network and together with the commonly studied random strategy we evaluate their efficiency in terms of percentage of links compromised for various network sizes and percentages of captured nodes.

Keywords

wireless sensor network, security, key management scheme, automated evaluation, bezdrátová senzorová síť, bezpečnost, schéma pro správu klíčů, automatické vyhodnocení

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 9. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 25. 3. 2015
• Supervisor: prof. RNDr. Václav Matyáš, M.Sc.
• Reader: doc. Dr. Ing. Petr Hanáček, Prof. Javier Lopez

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Computer Systems and Technologies