Secrecy amplification in wireless sensor networks

RNDr. Radim Ošťádal

Doctoral thesis

Abstract:

Symetrická kryptografie je preferovaným přístupem v případě síťových zařízení s omezenými výpočetními možnostmi a zdroji jak pro zajištění správy klíčů, tak pro celkové zajištění bezpečnosti. Linkové klíče sdílené každou dvojicí sousedních uzlů v bezdrátové ad-hoc síti jsou základním stavebním kamenem pro bezpečnou komunikaci a pro jakékoli další bezpečnostní mechanizmy. Typickým příkladem využití síťových zařízení s omezenými zdroji jsou bezdrátové senzorové sítě, které představují výzvu v konceptu dnešního internetu věcí. Tato zařízení často operují s citlivými informacemi a jejich bezpečnost je jedním ze základních požadavků. Senzorové sítě se skládají z velkého množství samostatných uzlů, jejichž cena musí být co nejnižší – to následně omezuje jejich výkon, úložný prostor, a především nákladnou fyzickou ochranu jednotlivých uzlů. V naší práci se zaměřujeme na případ, kdy je část sítě kompromitována útočníkem. Výrazného zlepšení bezpečnosti v síti lze dosáhnout tím, že skupina uzlů spolupracuje na protokolu bezpečnostní amplifikace. Amplifikační protokoly jsou velmi účinné, ale jejich dobré výsledky jsou vyváženy vysokými nároky na komunikaci mezi uzly v síti. Naším hlavním cílem je navrhnout amplifikační protokol (nebo několik protokolů), který dokáže zabezpečit vysoké procento komunikačních linek v síti a zároveň bude potřebovat pouze malé množství zpráv. Takovýto protokol musí být dále prakticky použitelný v prostředí senzorových sítí. V rámci našeho výzkumu navrhujeme nový hybridní přístup k bezpečnostní amplifikaci, který je jednodušší ve srovnání s aktuálními přístupy, a především prakticky použitelný. Navržené protokoly mají méně instrukcí, vyžadují méně komunikace a dosahují lepších výsledků v počtu zabezpečených linek. Nejdříve jsme analyzovali současné přístupy k bezpečnostní amplifikaci – uzlově a skupinově orientované protokoly. Výsledky této analýzy jsme využili k vylepšení hybridních protokolů. Všechny tři přístupy jsme následně důkladně analyzovali a porovnávali. Zaměřili jsme se především na charakteristiky jednotlivých přístupů, jejich schopnost zvýšit bezpečnost sítě, nároky na paměť a komunikaci. Na závěr jsme porovnali i možnosti praktického nasazení jednotlivých protokolů a jejich synchronizaci v případě paralelního spuštění na všech uzlech v síti současně. Implementovali jsme nástroj KMSforWSN 2.0, který slouží k automatizované analýze a vyhodnocení amplifikačního protokolu v realistickém prostředí a s realistickým modelem útočníka. K dispozici jsou implementace všech v současnosti dostupných amplifikačních protokolů a nové protokoly lze jednoduše doplňovat. Implementovaný model útočníka byl navržen v rámci našeho výzkumu a obsahuje dva typy parametrů – chování útočníka a dostupné prostředky útočníka. V rámci naší práce jsme vyhodnotili dopad jednotlivých parametrů útočníka na dostupné amplifikační protokoly. Celý nástroj KMSforWSN 2.0 je modulární a snadno rozšiřitelný. Na závěr jsme zvolili amplifikační protokol, který dosahoval nejlepších výsledků ve většině zkoumaných scénářů a který má současně vhodné vlastnosti pro praktické nasazení. Výsledky tohoto protokolu jsme navíc experimentálně ověřili v reálné senzorové síti. Tento protokol jsme implementovali pro dvě nejrozšířenější platformy – Arduino a TinyOS. Naše implementace je volně dostupná jako otevřený software.

Abstract:

Symmetric cryptography is the preferred approach when considering key management and operational requirements for networked devices with limited capabilities and resources. The link keys shared among neighbouring nodes in an ad-hoc network are the cornerstone for secure communication and for more comprehensive network security applications. Wireless Sensor Networks (WSNs), as a typical setting in the field of constrained networked devices, pose a challenge in today's Internet of Things. Such networks handle sensitive information and security is a typical baseline requirement. WSNs consist of numerous interacting devices, price of which should be as low as possible -- limiting computational and storage resources, also avoiding expensive tamper resistance. We focus on a scenario where a part of the network is compromised by the attacker. Substantial improvements in network security can be achieved when a group of neighbouring nodes cooperates in an additional Secrecy Amplification (SA) protocol. SA protocols were shown to be very effective, yet for the price of a significant communication overhead. Our main goal is to propose SA protocol(s) that can secure a high number of links yet require only a small number of messages. The proposed protocol(s) has to be practically usable and deployable in the WSN environment. We propose a new approach to SA, a simpler and practically usable hybrid designed protocols with less steps and a lower communication overhead, yet still better in terms of re-secured links than previously proposed protocols. We analyse both types of SA protocols proposed so-far -- node-oriented and group-oriented protocols -- and combine the analysis of given protocol classes to enhance the hybrid designed protocols properties. We provide an in-depth analysis and comparison of proposed hybrid designed protocols with node- and group-oriented approaches with respect to protocol characteristics, performance, memory and transmission overhead, as well as ease of synchronization during massively parallel executions. We provide the KMSforWSN 2.0 framework for automated analysis and evaluation of SA protocol in a realistic environment and against a realistic attacker model. All major SA protocols are implemented within the framework and new protocols can be easily added. The framework incorporates a realistic and parametrised attacker model proposed in this thesis. The attacker model defines two types of parameters -- behaviour and resources. We evaluate the impact of the realistic attacker model on all major SA protocols. The framework is modular and easily extensible. Finally, we select the best performing SA protocol in most prevalent number of scenarios and with the most suitable properties. We experimentally verify the protocol performance in the real, non-simulated network. Our implementations of the protocol are also available as an open source code for two platforms -- Arduino and TinyOS.

Keywords

ad hoc networks, crowdsourcing, cryptographic protocol, secrecy amplification (SA), wireless sensor network (WSN)

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 7. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 7. 3. 2019
• Supervisor: prof. RNDr. Václav Matyáš, M.Sc.
• Reader: doc. Ing. Jan Hajný, Ph.D., prof. Dr. Dieter Gollmann

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Informatics