Next-generation network control and security for the internet of things
Authors: Βιολέττας Γεώργιος 
Published: April 2022

Αναμφίβολα, ένας από τους τομείς με τη μεγαλύτερη συμβολή στα δίκτυα 5G είναι το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (ΔτΠ), δηλαδή ετερογενείς και χαμηλού κόστους αισθητήρες, ενεργοποιητές, αντικείμενα, καθώς και συσκευές περιορισμένων πόρων, διασκορπισμένες σε μεγάλες αστικές και αγροτικές εκτάσεις. Όλες αυτές οι συσκευές, ενώ αντιμετωπίζουν κάθε λογής προβλήματα όπως περιορισμένους πόρους, ασύρματη κάλυψη, ετερογένεια των λειτουργικών συστημάτων, προβλήματα λογισμικού και πρωτοκόλλων μεταξύ άλλων, προσπαθούν να επικοινωνήσουν ασφαλώς και αποτελεσματικά, με τελικό στόχο να πάρουν μετρήσεις και να αλληλοεπιδράσουν με το περιβάλλον, μετατρέποντας τις αναλογικές μετρήσεις σε ψηφιακή πληροφορία, για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία.Επιπλέον, τα ΔτΠ δεν επικοινωνούν απαραίτητα με τα "παραδοσιακά ασύρματα πρωτόκολλα" (π.χ. 802.11x) λόγω περιορισμών στη διαθέσιμη μνήμη, ενέργεια, επεξεργαστική ισχύ, κτλ. Επίσης αυτές οι συσκευές ευρισκόμενες εντός πεδίου, συνήθως αλλάζουν γρήγορα και δυναμικά την τοπολογία τους (π.χ. κινούμενοι κόμβοι). Τα παραπάνω αποκαλύπτουν την ανάγκη για νέα προσαρμοζόμενα πρωτόκολλα και τεχνικές επικοινωνίας που θα μπορούν να επιλύσουν τέτοια ενδιαφέροντα προβλήματα και να υπερβούν τους υφιστάμενους περιορισμούς και δυσκολίες. Αυτές οι λύσεις θα πρέπει αναγκαστικά να είναι συμβατές με το καθολικά χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο IPv6 όπως και υπάρχοντα πρωτόκολλα που ήδη κατέχουν δεσπόζουσα θέση (όπως π.χ., το ΙΕΕΕ 802.15.4). Αυτά τα πρωτόκολλα επιλύουν κάποια από αυτά τα προβλήματα, αλλά υπάρχει χώρος για πιο ακριβείς και καινοτόμες λύσεις. Για παράδειγμα, το αρκετά δημοφιλές πρωτόκολλο RPL αντιμετωπίζει περιορισμούς και προβλήματα, ειδικά επειδή βασίζεται στην κατανεμημένη εικόνα που απορρέει από την ίδια τη φύση των ΔτΠ δικτύων.Η διατριβή αυτή εστιάζει σε προβλήματα που αναδύονται σε αυτά τα πρωτόκολλα όταν εμφανίζονται ακραίες ή ασυνήθεις συνθήκες. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου οι προτεραιότητες του πρωτοκόλλου πρέπει να διαφοροποιηθούν προσωρινά, ώστε να εξυπηρετήσουν μία ανακύπτουσα ανάγκη για επικοινωνία σημείου-προς-σημείο μεταξύ των κόμβων, ή όταν κινούμενοι κόμβοι χρειάζεται να χρησιμοποιήσουν αποδοτικά το χαμηλό εύρος ζώνης που υπάρχει διαθέσιμο, και όλα αυτά κάτω από τη διαρκή ανάγκη για ασφάλεια.Κάποια από αυτά τα θέματα μπορούν να αντιμετωπιστούν μέσω της εφαρμογής του παραδείγματος των Δικτύων Καθοριζόμενων απο το Λογισμικό (ΔΚΛ), (Software Defined Networks, SDN) στα ΔτΠ. Η εφαρμογή των ΔΚΛ επιφέρει κεντρική διαχείριση, καθολική κατόπτευση του δικτύου, κεντρική λήψη αποφάσεων, καλύτερη απόκριση σε αλλαγές, κινδύνους, κτλ., αλλά ακριβώς λόγω της καθολικής εικόνας επιφέρει και περισσότερη κίνηση στο δίκτυο λόγω της αποστολής της επιπλέον πληροφορίας. Κάτω από το πρίσμα του ΔτΠ, τα ΔΚΛ πρέπει να χρησιμοποιηθούν επιλεκτικά, μόνον εκεί όπου η ισορροπία μεταξύ του όποιου κέρδους και της πλεονάζουσας πληροφορίας, είναι σαφώς υπέρ του πρώτου.Η διατριβή επίσης παρουσιάζει μία λεπτομερή καταγραφή των προβλημάτων ασφάλειας των δικτύων ΔτΠ. Ως αποτέλεσμα αυτής της βιβλιογραφικής μελέτης, κατασκευάστηκε ένα σύγχρονο λογισμικό Σύστημα Ανίχνευσης Εισβολών ( Intrusion Detection System, IDS), ονόματι \emph{ASSET}, εμπνευσμένο από το παράδειγμα των Δικτύων Καθοριζόμενων απο το Λογισμικό (ΔΚΛ), (Software Defined networks, SDN). Το σύστημα μπορεί να αντιμετωπίσει τις περισσότερες επιθέσεις ενάντια στο RPL πρωτόκολλο. Πιο συγκεκριμένα, η διατριβή εξετάζει: (i) Τη δημιουργία και εφαρμογή λύσεων δρομολόγησης σημείου προς σημείου (point-to-point) μέσα στο πρωτόκολλο RPL, το οποίο είναι προσανατολισμένο σε δικτύωση ενός-προς-πολλούς (point-to-multipoint), με αφετηρία τους κόμβους του δικτύου, και κατάληξη στον κεντρικό κόμβο-δρομολογητή, (sink-node), (ii) Τη λειτουργία των ΔτΠ, αλλά και του RPL , κάτω από ιδιαίτερες και ακραίες συνθήκες, και πως αυτή η λειτουργία μπορεί να βελτιωθεί, τόσο από την παραμετροποίηση των κόμβων ανά περίπτωση (ad-hoc) αλλά και τα προβλήματα που ανακύπτουν από την ετερογένεια των κόμβων αυτών, σε επίπεδο κατασκευαστή, δυνατοτήτων επεξεργαστικής και αποθηκευτικής ισχύος, κτλ. Επίσης στο ίδιο πλαίσιο εξετάζονται οι δυνατότητες συνεργασίας μεταξύ διαφορετικών επιπέδων δικτύου και η μεταφορά δεδομένων κατά περίπτωση, και (iii) Την αποτελεσματικότητα που επιφέρει η κεντρική διαχείριση και η κατόπτευση του δικτύου στην αποτελεσματική αντιμετώπιση κόμβων-εισβολέων, και πολλών διαφορετικών επιθέσεων. Στο ίδιο πλαίσιο εξετάζεται αναλυτικά η αποτελεσματικότητα χρήσης εργαλείων από άλλους κλάδους στην υπόδειξη και αποκλεισμό των εισβολέων-κόμβων.Τα πειραματικά αποτελέσματα της διατριβής δείχνουν τα εξής: (i) το πρωτόκολλο RPL, αν και αυτή την στιγμή έχει δεσπόζουσα θέση στο ΔτΠ, παρά ταύτα, έχει σοβαρές δυσλειτουργίες στη δρομολόγηση σημείου-προς-σημείο, και στη δρομολόγηση και διαχείριση κινούμενων κόμβων. Σε αυτόν τον τομέα, η βιβλιογραφία χρειάζεται εμπλουτισμό με καινούριες, καινοτόμες λύσεις και ιδέες, (ii) υπάρχουν πολλά ανοιχτά ζητήματα στο ΔτΠ όσον αφορά στις συσκευές, και πιο συγκεκριμένα στις δυνατότητες επεξεργασίας, αποθήκευσης και δικτύωσης, στη διάρκεια και στη διαχείριση της ενέργειας και της μπαταρίας, καθώς και στις διαλειτουργικές δυνατότητες και προβλήματα μεταξύ των διαφόρων επιπέδων δικτύου ( network layers), καθώς και μεταξύ διαφόρων κατασκευαστών, δυνατοτήτων των συσκευών, και επιμέρους προσφερόμενων λύσεων, (iii) τα ΔτΠ, έχουν πολλά ανοιχτά θέματα ασφαλείας, ειδικότερα όσον αφορά την παρακολούθηση και αναγνώριση επιθέσεων, ειδικά αυτών που εκμεταλλεύονται δομικές αδυναμίες σε δημοφιλή πρωτόκολλα όπως το RPL, και κάποιες από αυτές δεν αντιμετωπίζονται ακόμη και με τη χρήση κρυπτογραφίας. Σε αυτό το πεδίο, τα Συστήματα Αναγνώρισης Εισβολής (ΣΑΕ), (Intrusion Detection System, IDS), παραμένουν μία αξιόπιστη λύση που χρειάζεται πολύ περισσότερη βιβλιογραφική και πειραματική έρευνα.