Presentazione_CarocciEugenio_20160318

Analisi, estensione e validazione
di uno schema crittografico per
WSN basate sulla piattaforma
Atmel/802.15.4
RELATORE:
DOT T. RIC. ING. LUIGI POMANTE
CORRELATORE:
DOT T. ING. ANDREA COLARIETI
LAUREANDO:
DOT T. EUGENIO CAROCCI
MATRICOLA:
230140
A . A. 2014/2015

Obiettivo
Facilitare lo sviluppo di applicazioni per Wireless Sensor Networks
soddisfacendo i seguenti requisiti:
• Supporto di comunicazioni sicure;
• Reti con topologia a stella;
• Utilizzo del Topology Authenticated Key Scheme versione 2 per generare
chiavi crittografiche;
• Piattaforma HW/SW Atmel.
EUGENIO CAROCCI 119/3/2016

Wireless
Sensor
Networks
• Sistema embedded
distribuito;
• Capacità
computazionale limitata;
• Energia limitata;
• Basso duty-cycle;
• Comunicazioni
short-range;
• Sensori in grado di
rilevare più grandezze
fisiche.

Wireless
Sensor
Networks
• Militare;
• Ambientale;
• Bio-medico;
• Domestico;
• Industriale;
• Trasporti.

IEEE
802.15.4
• Data rate da 250 kbps,
100 kbps, 40 kbps e 20
kbps;
• Topologia a stella o peer-
to-peer;
• Indirizzi a 16 o 64 bit;
• CSMA-CA;
• Trasmissioni con ACK;
• 27 canali radio;
• Basso consumo
energetico.

IEEE
802.15.4
• Struttura a superframe;
• Più modalità di invio dei
dati;
• Più tipologie di frame:
• Beacon frame;
• Data frame;
• ACK frame;
• MAC command frame.
• Robustezza delle
trasmissioni;
• Sicurezza delle
trasmissioni.

Sicurezza nelle comunicazioni
La sicurezza nelle comunicazioni in una rete si raggiunge attraverso:

Funzioni crittografiche

Confidenzialità

Confidenzialità Autenticità

Confidenzialità Autenticità Integrità

Sistemi di rilevamento
delle intrusioni

delle intrusioni
Disponibilità di
sistema

Schemi crittografici
Crittografia a chiave simmetrica:
A BPlain
Text
Algoritmo di
cifratura
Algoritmo di
decifratura
Plain
Text
Cipher
Text
Chiave crittografica condivisa tra A e B

Crittografia a chiave simmetrica:
Crittografia a chiave pubblica:
A BPlain
Text
Algoritmo di
cifratura
Algoritmo di
decifratura
Plain
Text
Cipher
Text
Chiave crittografica condivisa tra A e B
A BPlain
Text
Algoritmo di
cifratura
Algoritmo di
decifratura
Plain
Text
Cipher
Text
Chiave pubblica di B Chiave privata di B

CRITTOGRAFIA A CHIAVE
SIMMETRICA:
• Chiave crittografica condivisa tra
mittente e destinatario;
• Prestazioni computazionali
ottime;
• Complessa la gestione della
chiave condivisa;
• Lo schema AES usa chiavi con
lunghezza pari 128 bit.
CRITTOGRAFIA A CHIAVE
PUBBLICA:
• Ogni elemento dispone di una
chiave pubblica ed una privata;
• Richiede molte risorse
computazionali;
• Semplice da utilizzare;
• Lo schema RSA usa chiavi di
lunghezza fino a 4096 bit.

Crittografia nelle WSN
Crittografia
Chiave
Pubblica
Crittografia
Chiave
Simmetrica
WSN

WSN
Crittografia
Chiave
Pubblica
Crittografia
Chiave
Simmetrica

WSN
Come distribuire le chiavi?
Crittografia
Chiave
Simmetrica
Crittografia
Chiave
Pubblica

WSN
Schemi di distribuzione:
• Trusted third-party;
• Public-key;
• A Priori information.
Crittografia
Chiave
Simmetrica
Crittografia
Chiave
Pubblica

WSN
• Public-key;
Crittografia
Chiave
Simmetrica
Crittografia
Chiave
Pubblica

WSN
TAKS2
• Public-key;
Crittografia
Chiave
Simmetrica
Crittografia
Chiave
Pubblica

TAKS2
TOPOLOGY AUTHENTICATED KEY SCHEME VERSION 2

TAKS2
• Approccio ibrido per
generare chiavi
crittografiche
simmetriche;
• Le chiavi non sono
pre-distribuite sui nodi;
• Ogni nodo ha una
propria Local
Configuration Data
composta da:
• Local Key Component;
• Transmit Key
Component;
• Local Planned
Topology;

TAKS2
generare chiavi
crittografiche
simmetriche;
• Le chiavi non sono pre-
distribuite sui nodi;
propria Local
Configuration Data
composta da:
• LKC;
• TKC;
• LPT;

TAKS2
generare chiavi
crittografiche
simmetriche;
propria Local
Configuration Data
composta da:
• LKC;
• TKC;
• LPT;

Esempio
N1
LKC LKC1
TKC TKC1
LPT -

Esempio
N1
LKC LKC1
TKC TKC1
LPT -
N2
LKC LKC2
TKC TKC2
LPT -

Esempio
N1
LKC LKC1
TKC TKC1
LPT TKC2
N2
LKC LKC2
TKC TKC2
LPT TKC1

Esempio
N1
LKC LKC1
TKC TKC1
LPT TKC2
N2
LKC LKC2
TKC TKC2
LPT
TKC1,
TKC3
N3
LKC LKC3
TKC TKC3
LPT TKC2

Middleware
• Colma il gap tra
protocolli di rete e livello
applicativo;
• Nasconde i dettagli
implementativi degli
strati inferiori;
• Facilita lo sviluppo di
applicazioni;
• Conosce le
caratteristiche degli
strati superiori ed
inferiori.

Middleware
applicativo;
strati inferiori;
applicazioni;
• Conosce le
strati superiori ed
inferiori.
Application Layer
IEEE 802.15.4 MAC Layer
MW Layer
IEEE 802.15.4 PHY Layer
TAKS2

Middleware
applicativo;
strati inferiori;
applicazioni;
• Conosce le
strati superiori ed
inferiori.
Application Layer
MW Layer TAKS2
INVIO E RICEZIONE DI
DATI IN MODO
SICURO

Middleware
applicativo;
strati inferiori;
applicazioni;
• Conosce le
strati superiori ed
inferiori. ASSOCIAZIONE CON
NODI AUTENTICATI
TOPOLOGICAMENTE
DATI IN MODO
SICURO
Application Layer
MW Layer TAKS2

Middleware
applicativo;
strati inferiori;
applicazioni;
• Conosce le
strati superiori ed
inferiori.
Application Layer
MW Layer TAKS2
DATI IN MODO
SICURO
ASSOCIAZIONE CON
NODI AUTENTICATI
TOPOLOGICAMENTE

Progettazione del middleware
19/3/2016 EUGENIO CAROCCI 42
Analisi delle funzionalità

Realizzazione di
diagrammi di sequenza

Realizzazione di
Progettazione di
macchine a stati

Realizzazione di
Progettazione di
macchine a stati
Progettazione di
strutture dati

Esempio
Invio e ricezione di dati in modo sicuro:
Application
Application
Application
Application
Middleware
Middleware
Middleware
Middleware
Ni
send(m)
Nj

Esempio
Application
Application
Application
Application
Middleware
Middleware
Middleware
Middleware
Ni
send(m)
SS = ⍺・TAK(LKCi,TKCj)
Nj
d = ⍺・TKCj

Esempio
Application
Application
Application
Application
Middleware
Middleware
Middleware
Middleware
Ni
send(m)
Nj
SS = TAK(LKCj,d)
Send dd = ⍺・TKCj

Esempio
Application
Application
Application
Application
Middleware
Middleware
Middleware
Middleware
Ni
send(m)
Nj
SS = TAK(LKCj,d)
Send c
Send dd = ⍺・TKCj
c = Encrypt(m,SS)

Esempio
Application
Application
Application
Application
Middleware
Middleware
Middleware
Middleware
Ni
send(m)
receive(m)
Send c
d = ⍺・TKCj
Nj
c = Encrypt(m,SS)
SS = TAK(LKCj,d)
m = Decrypt(c,SS)
Send d

Topologia e
piattaforma
HW
• Collecting di informazioni;
• Due implementazioni:
• Stack sicuro;
• Stack non sicuro.
• ATmega1281:
• Architettura RISC 8 bit;
• 128 KB Memoria FLASH;
• 8 KB SRAM.
• AT86RF212:
• Basso consumo e potenza;
• Modulo AES HW a 128 bit;
• Banda di frequenza 915
MHz;
• Conforme a IEEE 802.15.4.

Metriche e configurazioni
Sono state valutate le seguenti metriche:
• Tempo di trasmissione;
• Tempo di ricezione;
• Tempo di associazione;
• Trasmissioni a buon fine.

Metriche e configurazioni
Per gli esperimenti sono state create diverse configurazioni variando
parametri di rete definiti dallo standard IEEE 802.15.4.
Sono state valutate le seguenti metriche:
• Tempo di trasmissione;
• Tempo di ricezione;
• Tempo di associazione;
• Trasmissioni a buon fine.

Risultati
STACK NON SICURO STACK SICURO
Tempo di
trasmissione
(ms)
Tempo di
ricezione
(ms)
Tempo di
associazione
(s)
Trasmissioni a
buon fine
(%)

Risultati
Tempo di
trasmissione
(ms)
27,6 71,8
Tempo di
ricezione
(ms)
Tempo di
associazione
(s)
Trasmissioni a
buon fine
(%)

Risultati
Tempo di
trasmissione
(ms)
27,6 71,8
Tempo di
ricezione
(ms)
0,6 2,7
Tempo di
associazione
(s)
Trasmissioni a
buon fine
(%)

Risultati
Tempo di
trasmissione
(ms)
27,6 71,8
Tempo di
ricezione
(ms)
0,6 2,7
Tempo di
associazione
(s)
26,1 27,6
Trasmissioni a
buon fine
(%)

Risultati
Tempo di
trasmissione
(ms)
27,6 71,8
Tempo di
ricezione
(ms)
0,6 2,7
Tempo di
associazione
(s)
26,1 27,6
Trasmissioni a
buon fine
(%)
99,9 99,6

Conclusioni
PRO:
• Sviluppo di applicazioni
semplificato dalla presenza del
MW;
• Possibilità di effettuare
comunicazioni cifrate con nodi
autenticati topologicamente.
CONTRO:
• Per ogni messaggio di livello
applicativo sono necessarie due
trasmissioni radio;
• Overhead in termini di tempo e di
informazioni da inviare per ogni
messaggio di livello applicativo.

Prospettive future
• Problematica legata alla doppia trasmissione radio per ogni messaggio
applicativo;
• Porting del middleware alla nuova versione del IEEE 802.15.4 sviluppato
da Atmel®;
• Avanzamenti relativi alla teoria del TAKS;
• Comunicazioni tra device in topologie di rete più complesse come:
• Cluster-tree network;
• Mesh network.
• Comunicazioni tra device in movimento;
• I risultati del presente lavoro di tesi saranno integrati nel contesto delle
attività di UNIVAQ nel progetto di ricerca europeo ECSEL RIA 2016
SAFECOP.

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Editor's Notes