Secrecy amplification in wireless sensor networks

Mgr. Radim Ošťádal

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Bezdrátové senzorové sítě jsou složené z velkého množství interagujících zařízení s omezeným výpočetním výkonem a s omezenou kapacitou paměti. Pro senzorové sítě existuje velké množství aplikací, které mohou zahrnovat dokonce i vojenské nasazení v nepřátelském prostředí. Jelikož senzorové sítě zpracovávají a přenášejí velmi citlivé informace, bezpečnost těchto sítí je typicky základním požadavkem. Je nutné zohlednit to, že existují různé typy útoků a útočníků. Vybavení útočníků může velmi jednoduše překonat schopnosti jednotlivých uzlů v síti. Útočník může rádiovým signálem pokrýt výrazně větší oblast a je schopný efektivně odposlouchávat probíhající komunikaci mezi legitimními uzly. Útočník je dokonce schopný získat daný komunikační uzel a vyčíst z něj šifrovací klíče a další materiál, protože nepředpokládáme žádnou fyzickou ochranu zařízení. Takto vypadá nejčastěji zkoumaný model útočníka v literatuře. Je nutné definovat a detailněji zkoumat další modely útočníka. Obecně lze říci, že během útoku získá útočník kontrolu nad částí používaných klíčů, což má za následek částečně kompromitovanou síť. Protokoly pro amplifikaci bezpečnosti byly navrženy pro opětovné zabezpečení kompromitovaných linek v síti za použití bezpečných cest pro přenos nových klíčů. Návrh vhodného protokolu zůstává výzvou v případech, kdy je nutný kompromis mezi dostupnými zdroji a počtem nově zabezpečených linek. Celkový úspěch amplifikačních protokolů také závisí na strategii útočníka a na vzoru kompromitace. Různé amplifikační protokoly jsou vhodné pro různé scénáře. Na základě těchto faktů bychom se v dalším výzkumu rádi zaměřili na tři související oblasti: 1) Rozšíření současných modelů útočníka s cílem zahrnout jeho různé schopnosti a strategie. 2) Návrh vhodných amplifikačních protokolů pro zkoumané scénáře a modely útočníka. 3) Rozšíření aplikace KMSforWSN, která byla původně navržena jen pro klasická schémata pro správu klíčů. Toto rozšíření bude reflektovat oba předchozí cíle. Přestože je výzkum zaměřen přímo na bezdrátové senzorové sítě, většina výsledků může být aplikována obecně na jakékoli ad-hoc sítě.

Abstract:

Wireless Sensor Networks (WSNs) are networks that consist of a high number of interacting devices with limited computational and storage resources. There are many applications of WSNs that might include even the military applications in a hostile environment, like battlefield surveillance. As the WSNs often handle highly sensitive information, security of such networks is a typical baseline requirement. Different types of attacks and attackers have to be considered. The attacker equipment could easily outperform the capabilities of low-end nodes. The attacker might be able to cover a significantly bigger area with a radio signal or to eavesdrop distant communication. The attacker is also able to capture a node itself and read out all keying material as there typically is no tamper resistance. This is the commonly examined attacker model in the literature regarding the link key security. It is necessary to define and inspect additional attacker models in more detail. During the attack, an attacker learns a fraction of used keys with the result of a partially compromised network. The secrecy amplification (SA) protocols were proposed to re-secure some previously compromised communication links using non-compromised paths to deliver new secure keys. Design of suitable secrecy amplification protocols remains a challenge in scenarios where a trade-off between necessary resources and improvement in the number of secure links must be balanced. Also the success of SA highly depends on the attacker strategy and the resulting compromise pattern. Different SA protocols are suitable for different scenarios. Motivated by those facts, we would like to focus on three related fields in our future research: 1) Extension of current attacker models to reflect different attacker capabilities and strategies. 2) Proposal of suitable secrecy amplification protocols for examined scenarios and related attacker models. 3) Extension of the KMSforWSN framework that was originally prepared only for classical key management schemes, to reflect both previous aims. Even though the research is focused directly on wireless sensor networks, most if not all results could be applied to general ad-hoc networks.

Keywords

Attacker models, key establishment, secrecy amplification protocols, wireless sensor networks

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 9. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 13. 1. 2016
• Reader: doc. Ing. Pavel Čeleda, Ph.D., prof. Ing. Martin Drahanský, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

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