Τεχνικές ασφαλείας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με έμφαση στην μείωση κόστους σε σχήματα διαχείρισης κλειδιών με χρήση τοπολογικών μεθόδων
Authors: Τσιτσιπής Δημήτριος 
Published: September 2021

Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων είναι ένας τύπος δικτύων που απαρτίζονται εν γένει από πληθώρα χωρικά κατανεμημένων κόμβων, συνήθως εφοδιασμένων με περιβαλλοντικούς αισθητήρες, που λειτουργούν συνεργατικά με στόχο την εκπλήρωση κάποιας συγκεκριμένης εφαρμογής. Καθώς η χρησιμότητα των ΑΔΑ γίνεται όλο και πιο εμφανής, με νέους τύπους εφαρμογών να υλοποιούνται σε αυτά σε ευαίσθητους τομείς, αναδεικνύεται η ανάγκη της διασφάλισης των δικτύων αυτών από υποκλοπές και εισαγωγή ψευδών δεδομένων. Στη διατριβή αυτή εξετάζεται κατά κύριο λόγο η διαχείριση κλειδιών, με βασικό στόχο την επίτευξη της κατά το δυνατόν μικρότερης επιβάρυνσης του δικτύου για τις διαδικασίες διαχείρισης κλειδιών, όταν χρησιμοποιείται μοντέλο επικοινωνίας ομάδας, στο οποίο κάθε κόμβος διαθέτει δύναται να επικοινωνήσει άμεσα, από κρυπτογραφικής άποψης, με όλους τους υπόλοιπους κόμβους του δικτύου.Σαν βάση χρησιμοποιείται το σχήμα Logical Key Hierarchy. Σε αυτό η διαχείριση κλειδιών πραγματοποιείται από έναν Διακομιστή Κλειδιών, ενώ χρησιμοποιείται ένα κλειδί δικτύου, το οποίο μοιράζεται σε όλους τους κόμβους του δικτύου. Για την μείωση του κόστους για την αλλαγή του τελευταίου, χρησιμοποιείται επιπλέον μια ιεραρχία κλειδιών, με μορφή δέντρου.Σαν πρώτο βήμα στη διατριβή γίνεται υλοποίηση εφαρμογής κρυπτογραφημένης μετάδοσης εικόνας μέσα από ένα δίκτυο κόμβων TelosB και πάνω από το λειτουργικό σύστημα Contiki. Υλοποιήθηκε διαχείριση κλειδιών μέσω του σχήματος S2RP, βασισμένο στο LKH. Πάνω σε αυτά ελέγχθηκε η απόδοση της κρυπτογραφημένης μετάδοσης εικόνων και συγκρίθηκε με τη μη κρυπτογραφημένη μετάδοση. Επιπλέον έγιναν μετρήσεις στην απόδοση των διαδικασιών αλλαγής κλειδιών του S2RP.Τα αποτελέσματα της κρυπτογραφημένης μετάδοσης εικόνας έδειξαν πως η κρυπτογράφηση των δικτυακών μεταδόσεων στα ΑΔΑ, παρά την εισαγωγή κάποιας επιβάρυνσης σε σχέση με τις απλές μεταδόσεις, είναι αρκετά εφαρμόσιμη, ακόμα και για απαιτητικές εφαρμογές, όπως η μετάδοση είκόνων. Οι μετρήσεις των διαδικασιών αλλαγής κλειδιών έδειξαν την εφαρμοσιμότητα του σχήματος σε ΑΔΑ, αλλά με μη αμελητέα επιβάρυνση, που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη στη σχεδίαση του δικτύου, ενώ πιθανόν να είναι αναγκαία και η ρύθμιση των παραμέτρων της δικτυακής μετάδοσης, όπως το ελάχιστο μεσοδιάστημα μεταξύ μεταδόσεων, ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες στα κρίσιμα πακέτα αλλαγής κλειδιών, κρατώντας παράλληλα το χρόνο εκτέλεσης των διαδικασιών αυτών σε λογικά πλαίσια.Σαν επόμενο βήμα εξετάστηκαν μέθοδοι ελαχιστοποίησης της δικτυακής επιβάρυνσης για χρήση σχημάτων διαχείρισης κλειδιών τύπου LKH. Εξετάστηκαν τρόποι δημιουργίας των ιεραρχιών κλειδιών, που να οδηγούν σε αλλαγές κλειδιών με κατά το δυνατόν μικρή δικτυακή επιβάρυνση. Ακολουθήθηκε τοπολογική προσέγγιση, δηλαδή η δημιουργία δομών κλειδιών που "αντιστοιχούν" στο γράφο σύνδεσης του δικτύου. Οι μέθοδοι αυτοί ονομάζονται συλλογικά TALK: Topology-Aware LKH Key Management.Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν χωρίζονται λογικά σε δυο τμήματα. Το πρώτο είναι η εύρεση του βέλτιστου κόμβου για το ρόλο του Διακομιστή Κλειδιών. Αυτό γίνεται με συλλογή στοιχείων για την τοπολογία του δικτύου σε κάθε κόμβο, και τοπικό υπολογισμό σε κάθε υποψήφιο κόμβο κάποιων μετρικών για την καταλληλότητά του. Δεύτερο τμήμα των αλγορίθμων είναι η ίδια η δημιουργία του δέντρου κλειδιών στον Διακομιστή Κλειδιών, χρησιμοποιώντας τη γνώση της τοπολογίας του δικτύου από το προηγούμενο βήμα.Για την υποστήριξη της μεθοδολογίας πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις και εξομοιώσεις που δείχνουν την εφαρμοσιμότητα των αλγορίθμων, καθώς και τη βελτίωση της δικτυακής επιβάρυνσης σε σχέση με την απλή, τυχαία δημιουργία δέντρων κλειδιών.Στη συνέχεια εξετάζονται τρόποι περαιτέρω μείωσης της επιβάρυνσης στις αλλαγές κλειδιών, με χρήση δυο επιπέδων από ιεραρχίες κλειδιών τύπου LKH. Στο χαμηλότερο επίπεδο οι κόμβοι του δικτύου χωρίζονται σε "Εnd clusters", με έναν επικεφαλής η κάθε μια (End Cluster Head). Οι επικεφαλής αυτού του επιπέδου δημιουργούν μια "Super Cluster", με έναν επικεφαλής (Super Cluster Head) ο οποίος λειτουργεί ως γενικός συντονιστής στο δίκτυο. Σε κάθε συστάδα λειτουργεί και διαφορετικό δέντρο LKH. Το Σχήμα που αναπτύχθηκε ονομάζεται CHAT: clustered hierarchical key management for Wireless Sensor Networks using network topology.Στο βασικό σχήμα, οι μη-ECH κόμβοι μοιράζονται κρυπτογραφικό υλικό μόνο με κόμβους της EC τους και μπορούν να επικοινωνήσουν απευθείας με αυτούς. Η διασυσταδική επικοινωνία δρομολογείται μέσω των αντίστοιχων ECH, οι οποίοι ανήκουν στην SC, και μπορούν να επικοινωνήσουν, αναλαμβάνοντας την επανακρυπτογράφηση του μηνύματος. Σε σχέση με ένα πραγματικό μοντέλο επικοινωνίας ομάδας, υπάρχει κάποια επιβάρυνση στην διασυσταδική επικοινωνία, αλλά μειώνεται το κόστος αλλαγής κλειδιών.Χρησιμοποιώντας ως βάση τις μεθόδους του TALK, επιλέγεται ένας κόμβος που θα λειτουργήσει ως SCH και ECH μιας εκ των EC, κατά αντιστοιχία με τον Διακομιστή Κλειδιών στο απλό LKH / TALK. Οι υπόλοιποι ECH επιλέγονται με χρήση ενός επαναληπτικού αλγορίθμου που επιλέγει υποψηφίους με αρκετούς κόμβους στην περιοχή τους, οι οποίοι παράλληλα δε θα είναι κοντά σε ήδη επιλεγμένους ECH. Με επιλεγμένους τους ECH, γίνεται η ανάθεση των υπόλοιπων κόμβων σε ECs, με αλγόριθμο που οδηγεί σε συνεκτικά ECs και αναθέσεις μικρότερης δυνατής απόστασης.Παρουσιάζονται επίσης και δυο παραλλαγές του βασικού σχήματος: Η πρώτη είναι η εισαγωγή ενός καθολικού κλειδιού κρυπτογράφησης, που μοιράζεται σε όλους τους κόμβους του δικτύου, κάτι που επιτρέπει τη χρήση μοντέλου επικοινωνίας ομάδας, όπως στο απλό LKH, και τη διασυσταδική επικοινωνία χωρίς κάποια επιβάρυνση, αντάλλαγμα αύξηση στο κόστος αλλαγής κλειδιών. Δεύτερη παραλλαγή στο βασικό σχήμα είναι η εισαγωγή κάποιας επικάλυψης μεταξύ των ECs. Αυτό αποτελεί συμβιβαστική λύση μεταξύ των προηγούμενων, δίνοντας μεγαλύτερη ευελιξία από το βασικό σχήμα στην επικοινωνία μεταξύ κόμβων, αλλά και κόστος αλλαγής κλειδιών που, παρότι μεγαλύτερο από αυτό του βασικού σχήματος κλιμακώνεται καλύτερα από τη χρήση καθολικού κλειδιού.Η κάθε λύση παρουσιάζει διαφορετικά χαρακτηριστικά κόστους αλλαγής κλειδιών και κίνησης δεδομένων, και προτείνονται για διαφορετικούς τύπους εφαρμογών: Το βασικό σχήμα παρουσιάζει ελάχιστο κόστος αλλαγής κλειδιών, που δεν αυξάνεται ιδιαίτερα με το μέγεθος του δικτύου, αλλά μη μηδαμινή αύξηση στο διασυσταδικό κόστος επικοινωνίας. Έτσι προτείνεται για εφαρμογές των οποίων η κίνηση μπορεί να αντιστοιχηθεί στις συστάδες του σχήματος. Η παραλλαγή με το καθολικό κλειδί δεν παρουσιάζει καμία επιβάρυνση στο επικοινωνιακό κόστος. Το κόστος αλλαγής κλειδιού είναι αρκετά μεγαλύτερο από το βασικό σχήμα, αλλά αρκετά μικρότερο από την απλή εφαρμογή LKH, και ακόμα και από το σχήμα TALK. Έτσι προτείνεται ως γενική λύση, για εφαρμογές με κίνηση μεταξύ οποιωνδήποτε κόμβων, η οποία απαιτεί ένα αρκετά μικρό κόστος αλλαγής κλειδιών για σχήμα με υποστήριξη επικοινωνίας ομάδας. Τέλος, η παραλλαγή με την επικάλυψη συστάδων παρουσιάζει πολύ μικρό κόστος, που προσεγγίζει αυτό του βασικού σχήματος, προσφέροντας ταυτόχρονα και πολύ μεγαλύτερη ευελιξία στην επικοινωνία, ενώ η μειωμένη, σε σχέση με το βασικό σχήμα, επικοινωνιακή επιβάρυνση, λόγω μη βέλτιστης δρομολόγησης των πακέτων, μπορεί να αντικατασταθεί από επιπλέον επανακρυπτογραφήσεις και δρομολόγηση ελάχιστου μονοπατιού. Προτείνεται για αρκετά μεγάλα δίκτυα με οτιδήποτε επικοινωνιακές ανάγκες.