A study on detection and mitigation of denial of service security attacks in wireless vehicular networks
Authors: Κοσμάνος Δημήτριος 
Published: September 2021

Τα δίκτυα οχημάτων έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενος τομέας έρευνας, όπου η πρόοδος σε ασύρματα και κινητά δίκτυα μπορεί να εφαρμοστεί σε ρεαλιστικά προβλήματα της πραγματικής ζωής. Τα οχήματα μπορούν να χρησιμοποιούν μια ποικιλία ασύρματων τεχνολογιών για να επικοινωνούν με άλλες συσκευές, αλλά η κυρίαρχη τεχνολογία είναι η επικοινωνία μικρής εμβέλειας, η οποία έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει μια ποικιλία εφαρμογών που βασίζονται σε επικοινωνία οχημάτων χρησιμοποιώντας μηνύματα με διαφορετικές προτεραιότητες. Ειδικά, τα ευαίσθητα μηνύματα για εφαρμογές δικτύων οχημάτων απαιτούν έγκαιρη και αξιόπιστη παράδοση. Ωστόσο, μια συγκεκριμένη ανησυχία σχετιζόμενη με την ασφάλεια, που αντιμετωπίζουν τα δίκτυα οχημάτων, είναι πώς να διατηρήσουν ζωντανή την επικοινωνία μεταξύ οχημάτων παρουσία επιθέσεων ασφαλείας άρνησης υπηρεσίας όπως είναι η παρεμβολή ραδιοσυχνοτήτων ή η επίθεση πλαστογράφησης ταυτότητας. Αρχικά, ξεκινάμε σε αυτή την διατριβή προσπαθώντας να βρούμε τρόπους για την αντιμετώπιση επιθέσεων παρεμβολής στο φυσικό επίπεδο. Οι τεχνικές πολλαπλών κεραιών έχουν αποδειχθεί κατάλληλες για τη βελτίωση ορισμένων κρίσιμων παραμέτρων της επικοινωνίας μεταξύ οχημάτων, όπως το εύρος επικοινωνίας και η απόδοση. Επομένως, οι τεχνικές πολλαπλών κεραιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα δίκτυο οχημάτων ως ενεργητικοί αμυντικοί μηχανισμοί προκειμένου να μετριαστούν οι επιπτώσεις των παρεμβολών. Για το λόγο αυτό, προτείνεται μια παραλλαγή χωρικής πολυπλεξίας, η ενισχυμένη έκδοση χωρικής πολυπλεξίας, η οποίο επιτυγχάνει όχι μόνο υψηλή απόδοση αλλά και ένα σταθερό κέρδος ποικιλομορφίας κατά την παρέμβαση ενός κακόβουλου χρήστη. Αμέσως μετά, διερευνούμε λύσεις για τον εντοπισμό παρεμβολής με μεθόδους χωρίς αρκετό κόστος και επιπλέον υλικό. Γι' αυτό θέλουμε να διερευνήσουμε τα χαρακτηριστικά της κίνησης ενός επιτιθέμενου χρησιμοποιώντας την επικοινωνία μεταξύ οχημάτων και ειδικότερα την επικοινωνία μεταξύ ενός πομπού και ενός δέκτη με την παρέμβαση ενός επιτιθέμενου. Προτείνουμε έναν νέο αλγόριθμο εκτίμησης της σχετικής ταχύτητας ενός κινούμενου οχήματος που πλησιάζει ένα ζεύγος πομπού - δέκτη, το οποίο παρεμβαίνει στην επικοινωνία μέσω της επίθεσης άρνησης υπηρεσίας . Το μοντέλο μας είναι εντελώς παθητικό και χρησιμοποιεί ένα λαμβανόμενο πιλοτικό σήμα στον δέκτη, για να εκτιμήσει, πρώτον, το συνδυασμένο κανάλι μεταξύ του πομπού - δέκτη και επιτιθέμενου - δέκτης και δεύτερον, για την εκτίμηση του σήματος μπλοκαρίσματος και της σχετικής ταχύτητας μεταξύ του δέκτη - του δέκτη χρησιμοποιώντας τη μετατόπιση RF Doppler. Επεκτείνουμε επίσης την εκτίμηση της ταχύτητας του επιτιθέμενου σε ένα σμήνος ασύρματων κόμβων επικοινωνίας, η οποία είναι μια πιο ρεαλιστική κατάσταση σε ένα δίκτυο οχημάτων. Στο μοντέλο του συστήματός μας ένα σμήνος κόμβων λαμβάνει ένα σήμα πληροφοριών μετάδοσης από ένα κύριο κόμβο, που θέλουν να αποκωδικοποιήσουν, ενώ ο επιτιθέμενου επιθυμεί να διακόψει αυτήν την επικοινωνία καθώς πλησιάζει. Για αυτό το μοντέλο συστήματος, προτείνουμε ένα σύστημα μετάδοσης όπου ο κύριος κόμβος δεν μεταδίδει για μία χρονική στιγμή ενώ μεταδίδεται στην αμέσως επόμενη χρονική στιγμή. Δεύτερον, αναπτύσσουμε έναν κοινό αλγόριθμο εκτίμησης δεδομένων και παρεμβολής που χρησιμοποιεί έναν γραμμικό ελάχιστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος υπολογισμό. Αναπτύσσουμε αναλυτικές εκφράσεις κλειστής μορφής που χαρακτηρίζουν το μέσο τετράγωνο σφάλμα των εκτιμήσεων σήματος δεδομένων και παρεμβολής. Τρίτον, προτείνουμε έναν συνεργατικό αλγόριθμο εκτίμησης ταχύτητας του επιτιθέμενου που βασίζεται στις εκτιμήσεις του σήματος παρεμβολής σε κάθε κόμβο του δικτύου. Ως επόμενο βήμα, σχεδιάζουμε συστήματα ανίχνευσης εισβολών πολλαπλών επιπέδων που μπορούν να ανιχνεύσουν αποτελεσματικά έναν κακόβουλο κόμβο χρησιμοποιώντας την εκτιμώμενη ταχύτητα του επιτιθέμενου. Το προτεινόμενο σχήμα ανίχνευσης βασίζεται σε εποπτευόμενη μηχανική εκμάθηση- Nearest Neighbors (KNN) και Random Forests (RaFo). Συνδυάζοντας τους αλγόριθμους με παραλλαγές της εκτιμώμενης σχετικής ταχύτητας μεταξύ του επιτιθέμενου και του δέκτη, είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε αποτελεσματικά διάφορες περιπτώσεις ανεπιθύμητων επιθέσεων απόρριψης υπηρεσίας, να τις διαφοροποιήσουμε από περιπτώσεις ακούσιων παρεμβολών, καθώς και να προβλέψουμε επιτυχώς δυνητικούς κινδύνους έτσι ώστε να δράσουμε ανάλογα. Στη συνέχεια ενισχύουμε το προηγουμένως εισαγόμενο σύστημα ανίχνευσης εισβολής με ορισμένες επεκτάσεις, έτσι ώστε να είναι σε θέση να εντοπίσει έναν άλλο τύπο επίθεσης ιδιαίτερου ενδιαφέροντος ειδικά για συνδεδεμένα αυτόνομα οχήματα που είναι η επίθεση πλαστογράφησης ταυτότητας. Μια επίθεση πλαστογράφησης ταυτότητας είναι εξίσου σημαντική με την επίθεση παρεμβολής RF κατά της ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ συνδεδεμένων οχημάτων. Αυτός ο τύπος επίθεσης θα μπορούσε να επιτρέψει σε έναν εισβολέα να αλλάξει την απόσταση μεταξύ αυτόνομων οχημάτων εντός της διμοιρίας, διαταράσσοντας τη ροή της κυκλοφορίας και αυξάνοντας τις πιθανότητες ατυχήματος. Για αυτόν τον λόγο, ενισχύουμε το σύστημα εντοπισμού που παρουσιάστηκε προηγουμένως με έναν ημι-εποπτευόμενο αλγόριθμο, καθώς και τεχνικές συγχώνευσης δεδομένων σε μια προσέγγιση πολλαπλών επιπέδων. Εκτός από τα συνδεδεμένα αυτόνομα οχήματα, διερευνούμε επίσης τις επιπτώσεις της επίθεσης πλαστογράφησης ταυτότητας στην επικοινωνία μεταξύ οχημάτων για έναν διαφορετικό τύπο εφαρμογής δικτύου οχημάτων. Σε αυτήν την εφαρμογή, διερευνούμε συνδεδεμένα ηλεκτρικά οχήματα που συντονίζονται για φόρτιση είτε σε ένα στατικό σταθμό φόρτισης ή σε έναν κινητό διανομέα ενέργειας που λειτουργεί ως κινητός σταθμός φόρτισης και ο συνδυασμός των παραπάνω σχηματίζει ένα σύστημα δυναμική ασύρματης φόρτισης. Ωστόσο, η επικοινωνία μεταξύ οχημάτων είναι ευάλωτη σε μια ποικιλία επιθέσεων άρνησης υπηρεσίας όπως είναι ένας εισβολέας πλαστογράφησης ταυτότητας του οποίου η παρουσία ως εσωτερικός κόμβος στο προτεινόμενο σύστημα δυναμικής ασύρματης φόρτισης ) μπορεί να αυξήσει σημαντικά τον συνολικό χρόνο ταξιδιού. Σχεδιάζουμε ένα νέο σύστημα εντοπισμού κατάλληλο για συστήματα δυναμικής φόρτισης που χρησιμοποιεί μια νέα μετρική, την επαλήθευση θέσης χρησιμοποιώντας τη σχετική ταχύτητα, η οποία έχει σημαντική επίδραση στον εντοπισμό της επίθεσης πλαστογράφησης ταυτότητας. Αυτή η νέα μετρική συγκρίνει την απόσταση μεταξύ δύο επικοινωνιακών κόμβων που παρατηρείται από τις ενσωματωμένες μονάδες στα οχήματα και την απόσταση που εκτιμάται χρησιμοποιώντας την υπολογιζόμενη σχετική ταχύτητα που υπολογίζεται από τα εναλλασσόμενα σήματα στην ασύρματη επικοινωνία στο φυσικό επίπεδο. Αποδεικνύουμε ότι το προτεινόμενο πιθανοτικό σύστημα ανίχνευσης εισβολών είναι κατάλληλο για τον εντοπισμό και τον περιορισμό της παρουσίας τουλάχιστον ενός εισβολέα από το προτεινόμενο σύστημα δυναμικής ασύρματης φόρτισης.