Multi-layer IoT security via trusted computing
Authors: Παπακοτούλας Ανέστης 
Published: August 2024

Η ταχεία εξάπλωση των εφαρμογών Διαδικτύου των πραγμάτων (Internet of Things - IoT) σε διάφορους τεχνολογικούς τομείς έχει αυξήσει σημαντικά τον αριθμό των συνδεδεμένων συσκευών, ενισχύοντας τις ανησυχίες σχετικά με την ασφάλεια και το απόρρητο. Τα τρωτά σημεία ασφαλείας που παρουσιάζονται στα διαφορετικά επίπεδα του σχεδιασμού του IoT δημιουργούν κρίσιμα ζητήματα, απαιτώντας ισχυρές λύσεις. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks - WSNs) αποτελούν αναπόσπαστο μέρος του IoT, επιτρέποντας τη συνδεσιμότητα σε εφαρμογές όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντος, τα έξυπνα σπίτια, η υγειονομική περίθαλψη και ο βιομηχανικός αυτοματισμός. Αυτά τα δίκτυα περιλαμβάνουν πολυάριθμους μικρούς, χαμηλού κόστους, κόμβους αισθητήρων περιορισμένης ισχύος που επικοινωνούν ασύρματα με έναν σταθμό βάσης. Ωστόσο, τα εγγενή χαρακτηριστικά των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, όπως οι περιορισμένοι πόροι, η ad-hoc δικτύωση και τα ανοιχτά κανάλια επικοινωνίας, τα καθιστούν επιρρεπή σε απειλές ασφαλείας. Η ενίσχυση της ασφάλειας και της αποτελεσματικότητας των WSNs είναι ζωτικής σημασίας για αξιόπιστες υπηρεσίες. Η ενσωμάτωση μιας μονάδας υπολογιστικής ασφάλειας (Trusted Platform Module - TPM) στα WSNs, η οποία παρέχει ασφαλή αποθήκευση και επεξεργασία ευαίσθητων πληροφοριών, διασφαλίζει την επικοινωνία μεταξύ των κόμβων αισθητήρων και του σταθμού βάσης και επαληθεύει τους κόμβους για την αποτροπή μη εξουσιοδοτημένης πρόσβασης. Μια ολοκληρωμένη εξέταση της τεχνολογίας TPM, μέσω αυτής της διατριβής, εστιάζει στη βελτίωση της πιστοποίησης της ταυτότητας των κόμβων, δίνοντας παράλληλα προτεραιότητα στην ενεργειακή απόδοση. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης ικανοποιούν ιδιαίτερα ιπτάμενους κόμβους, οι οποίοι λειτουργούν σε περιοχές υψηλής κυκλοφορίας με αυστηρά πρότυπα ασφάλειας και αξιοπιστίας. Τα πειράματα υπογραμμίζουν τον ουσιαστικό ρόλο του TPM στη διασφάλιση του ελέγχου ταυτότητας κόμβου σε διάφορα περιβάλλοντα. Πραγματοποιείται αξιολόγηση της απόδοσης αποκαλύπτοντας σημαντικές βελτιώσεις τόσο στην ενεργειακή απόδοση όσο και στην ασφάλεια. Αυτή η διατριβή προτείνει ένα βελτιωμένο σχήμα επικοινωνίας αισθητήρων που ενσωματώνει το TPM με το πρωτόκολλο επικοινωνίας, υποστηρίζοντας ασφαλή επικοινωνία από άκρο σε άκρο, ομαδική επικοινωνία και έλεγχο ταυτότητας. Τα ευρήματα της αξιολόγησης υπογραμμίζουν την αποτελεσματικότητα του συστήματος στη βελτίωση της ασφάλειας WSN, ωφελώντας σημαντικά στη διαχείριση των υπολογιστικών πόρων και της μνήμης, συμβάλλοντας έτσι στην ανάπτυξη ασφαλών και αξιόπιστων WSN για IoT εφαρμογές. Τα ασύρματα κινητά αδόμητα δίκτυα, τα οποία εφαρμόζονται για έξυπνα συστήματα και IoT εφαρμογές, αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις ασφαλείας λόγω της δυναμικής τους φύσης και της έλλειψης σταθερής υποδομής. Η διασφάλιση της ακεραιότητας της υποδομής είναι θεμελιώδης. Το TPM, ένας κρυπτοεπεξεργαστής ικανός να εκτελεί διάφορες λειτουργίες ασφαλείας, προσφέρει μια σύγχρονη λύση εξαλείφοντας πιθανές ευπάθειες μέσω ενός μηχανισμού ενδιάμεσης εκκίνησης. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει την ανάπτυξη μιας βιβλιοθήκης που διασφαλίζει την ακεραιότητα μιας ΙοΤ υποδομής κατά τη διαδικασία εκκίνησης χρησιμοποιώντας το TPM και το ενδιάμεσο λογισμικό εκκίνησης U-Boot. Τα ευρήματα της μελέτης υπογραμμίζουν την ικανότητα του TPM να προστατεύει τη διαδικασία εκκίνησης συσκευών IoT, ενισχύοντας έτσι τη συνολική ασφάλεια του συστήματος. Επιπλέον, αυτή η διατριβή προτείνει μια νέα προσέγγιση για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας χρησιμοποιώντας την ασφάλεια που βασίζεται στο TPM για τη δημιουργία ενός ασφαλούς και αξιόπιστου περιβάλλοντος για IoT συσκευές. Το TPM αποθηκεύει και διαχειρίζεται κρυπτογραφικά κλειδιά για ασφαλή επικοινωνία μεταξύ συσκευών και επαληθεύει και εξουσιοδοτεί την πρόσβαση σε πόρους, διασφαλίζοντας ότι μόνο εξουσιοδοτημένες οντότητες μπορούν να έχουν πρόσβαση σε ευαίσθητα δεδομένα. Η πρωτότυπη υλοποίηση καταδεικνύει την αποτελεσματικότητα της προσέγγισης στον εντοπισμό προσπαθειών μη εξουσιοδοτημένης πρόσβασης και στην ασφάλεια μετάδοσης δεδομένων, παρουσιάζοντας μια πολλά υποσχόμενη λύση στις προκλήσεις ασφάλειας και αξιοπιστίας των IoT εφαρμογών. Ο γεωεντοπισμός στα WSNs αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για την ακριβή αποτύπωση της θέσης των κόμβων, την αποτελεσματική δρομολόγηση και λειτουργίες όπως ο δυναμικός συντονισμός και η επίγνωση της κατάστασης, ειδικά σε εναέρια περιβάλλοντα. Αυτή η διατριβή εισάγει μια εναλλακτική λύση στη διαδικασία γεωεντοπισμού, δίνοντας έμφαση σε ενεργειακά αποδοτικές και αξιόπιστες τεχνικές. Υπογραμμίζει την επείγουσα ανάγκη για ενισχυμένους μηχανισμούς ασφαλείας και τη σημασία των κρυπτογραφικών συναρτήσεων κατακερματισμού για την ακεραιότητα των πληροφοριών στα οδικά κινητά αδόμητα δίκτυα. Η μελέτη δημιουργεί ένα τρισδιάστατο πεδίο με σταθμούς κόμβων βάσης, χρησιμοποιώντας αλγόριθμους χωρίς GPS και TPM για τη δημιουργία ενός ασφαλούς, ενισχυμένου με κρυπτογραφία περιβάλλοντος. Ολοκληρωμένες προσομοιώσεις συγκρίνουν την ακρίβεια και την υπολογιστική απόδοση διαφόρων αλγορίθμων γεωεντοπισμού, εισάγοντας ένα ασφαλές μοντέλο δρομολόγησης και μια αξιόπιστη μέθοδο γεωεντοπισμού για οδικά κινητά αδόμητα δίκτυα χωρίς την εξάρτηση χρήσης GPS, υπογραμμίζοντας τον ρόλο του TPM στην εξασφάλιση τεχνικών εντοπισμού εντός του WSN. Συνοψίζοντας, αυτή η διατριβή υπογραμμίζει συλλογικά τον κεντρικό ρόλο του TPM στην ενίσχυση της ασφάλειας και της αξιοπιστίας του IoT σε διάφορες εφαρμογές εντός των διαφόρων ειδών κινητών αδόμητων δικτύων. Οι λύσεις που βασίζονται στο TPM προσφέρουν σημαντικές βελτιώσεις στον έλεγχο ταυτότητας, την ασφάλεια των επικοινωνιών, τη διαχείριση πόρων και τον γεωγραφικό εντοπισμό, αντιμετωπίζοντας κρίσιμα τρωτά σημεία και προάγοντας την ανάπτυξη ασφαλών, αξιόπιστων IoT συστημάτων.