Yeni bir kablosuz algılayıcı ağ veri bağı katmanı güvenlik protokolü tasarımı
A new data link layer security protocol designed for wireless sensor networks
Yazar: NECLA BANDIRMALI
Danışman: PROF. DR. İSMAİL ERTÜRK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Güvenlik = Security ; Güvenlik protokolleri = Security protocols ; Kablosuz iletişim = Wireless communication

Özet:
Kablosuz Algılayıcı Ağ (KAA) güvenliği konusunda yapılan araştırmalar genellikle enerji, bellek ve işlemci gibi sınırlı düğüm kaynaklarının etkin kullanımı üzerine odaklanmaktadır. Bununla birlikte, tez çalışmasının başlangıç sebebini oluşturan ve özellikle sağlık ve askeri olmak üzere, kritik KAA uygulamalarında yüksek güvenlik sağlayan protokollere olan ihtiyaç günümüzde artan bir önem kazanmaktadır.Bu tez çalışmasında, özellikle sınırlı kaynakları bulunan düğümlerde kullanılan SEA blok şifreleme algoritması ile veri gizliliği ve güvenilirliği için kullanılan CTR ve CBC?MAC asıllama/bütünlük denetim yaklaşımlarının bütünleşik kullanımıyla geliştirilen ve kısaca YP (Yeni Bir Kablosuz Algılayıcı Ağ Veri Bağı Katmanı Güvenlik Protokolü) olarak adlandırılan yeni bir protokol sunulmaktadır. YP güvenlik düzeyi, kullanılan yaklaşımlarla dinamik olarak yükseltilirken, bellek kullanım değeri nispî olarak çok az artmaktadır. Bununla birlikte, 96-bit veri blok/anahtar boyutuna sahip güvenlik düzeyinde, TinySEC'e kıyasla, YP'nin KAA düğüm enerji tüketim değerine olumsuz etkisi bulunmazken, 192-bit veri blok/anahtar boyutuna sahip oldukça yüksek güvenlik düzeyinde, ihmal edilebilir bir artış görülmektedir. Arttırılmış KAA güvenliği için kullanılan hemen hemen tüm ek süreçler ve algoritmalar, düğüm işlemcisinin daha fazla kullanımına bağlı olarak, uçtan-uca gecikme içerisinde önemli bir yeri olan şifreleme/şifre çözme süresini olumsuz etkilemektedir. Diğer yandan, toplam gecikmedeki bir artışa da karşılık gelen bu durum, KAA uygulaması tüm bileşenleri ile bir bütün olarak ele alındığında, hedeflenilen yüksek güvenlik sonucu ile dengelenmektedir.YP'nin geleneksel TinySEC ve LLSP protokolleri ile karşılaştırmalı geçerlilik değerlendirme sonuçlarına ek olarak, YP'nin kullanıldığı basit bir KAA uygulamasının OPNET yazılımı ile modellenmesi ve benzetimi de bu tez çalışmasında sunulmaktadır. Sonuçlar genel olarak ele alındığında, tez çalışmasının özünü teşkil eden veri güvenilirliği arttırılırken diğer somut başarım ölçütleri açısından muhtemel olumsuzlukların, CTR ve CBC?MAC yaklaşımlarının YP içerisinde oldukça etkin bir şekilde uyarlanılması ile ortadan kaldırıldığı tespit edilmiştir.

Abstract:
The effective usage of sensor node energy and its other sources is of high importance in Wireless Sensor Network (WSN) security researches as much as those in for example MAC and physical layer studies. As the initial motivation of this thesis work, research on especially increasing security of the WSNs employed in military and health applications recently also receives a remarkable attention.In this thesis, a new highly secure WSN data link layer security protocol called HighSEC is proposed. It smoothly combines the advantageous aspects of the SEA with the CTR & CBC?MAC approaches for highly increased data confidentiality and authentication & integrity functions, respectively. The security level of the HighSEC can be dynamically boosted up employing these methods with respect to a small increase in memory usage. Using the proposed HighSEC with the 96-bit data block/key size has a trivial effect on the WSN node energy consumption that is ignorably increased compared to that of the traditional TinySEC protocol while employing the HighSEC with the 192-bit data block/key size providing an extremely high level of security. Almost all of the additional processes for increased reliability in WSN data link layer security protocols adversely affect the total encryption/decryption times added to the end-to-end delay, mainly caused by the further exploitation of the microprocessor in the WSN nodes. Considering a complete WSN application including the physical layer components, this negative aspect should be perfectly counterbalanced with the achieved high security and reliability outcome as realized by the proposed HighSEC, well supporting its usability in especially crucial health and military areas.In addition to the comparative evaluation of the HighSEC and traditional TinySEC and LLSP, modeling and simulation of a simple WSN application employing the proposed HighSEC have been realized using the OPNET software. It has been succinctly concluded that employing the HighSEC utterly increases the data reliability of the WSN application traffic while consequently expected drawbacks such as increased end to end delays and use of limited energy sources are overcome by means of adapting the CTR and CBC?MAC approaches in highly efficient manner.