Resiliency and application to routing protocols in wireless sensor networks
Résilience et application aux protocoles de routage dans les réseaux de capteurs
Résumé
This thesis focuses on the security issues of multi-hop routing protocols for Wireless Sensor Networks (WSNs). The rapid deployment capabilities, due to the lack of infrastructure, as well as the self organized and potentially fault-tolerant nature of WSNs make them attractive for multiple applications spanning from environmental monitoring (temperature, pollution, etc.) to building industrial automation (electricity/gas/water metering, event detection, home automation etc). Security is particularly challenging in WSNs. Because of their open and unattended deployment, in possibly hostile environments, powerful adversaries can easily launch Denial-of-Service (Dos) attacks, cause physical damage to sensors, or even capture them to extract sensitive information (encryption keys, identities, addresses etc.). After node compromise, an adversary can seek to disrupt the functionality of network layer by launching attacks such as node replication, Sybil, Selective forwarding, Sinkhole, Wormhole etc. To cope with these "insider" attacks, stemming from node compromise, "beyond cryptography" algorithmic solutions must be envisaged to complement the traditional cryptographic solutions. Firstly, we propose the resiliency concept including our definition and a new metric to compare routing protocols. This method allows to aggregate meaningfully several parameters (quantitative information) and makes it easier to visually discern various tradeoffs (qualitative information), thus greatly simplifying the process of protocol comparison. Secondly, we propose the protocol behaviors enhancing resiliency. Our proposition consists in three strategies: (i) introduce random behaviors (ii) limit route length (iii) introduce data replication. These mechanisms are applied to several well known routing protocols to study their resiliency. Finally, a theoretical study of resiliency is introduced. We present an analytical study of biased random walks under attacks to confirm the results obtained through simulations.
Les travaux réalisés dans cette thèse se situent dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks), déployés en environnement urbain et se focalisent sur la sécurité des protocoles de routage multi-sauts. Les capteurs sont souvent déployés dans des environnements ouverts et accessibles permettant aux éventuels attaquants de les détruire ou de les capturer afin d'en extraire les données sensibles (clés de chiffrement, identité, adresse, etc.). Les méthodes traditionnelles, basées sur la cryptographie, permettent d'obtenir une sécurité de base (authentification, confidentialité, intégrité, non répudiation etc.), mais ne permettent pas toujours de se prémunir contre les attaques dues à la compromission des nœuds (réplication des nœuds, Sybil, Selective forwarding, Blackhole, Sinkhole, Wormhole etc.). Dans le but d'apporter des solutions algorithmiques complémentaires aux solutions cryptographiques, nous étudions la résilience des protocoles de communication en présence d'adversaires internes visant à perturber l'acheminement de l'information à travers le réseau. Dans un premier temps, nous introduisons la notion de résilience et une métrique quantitative doublée d'une représentation qualitative pour mieux l'appréhender. Nous étudions les principaux protocoles de routage de la littérature selon notre métrique pour montrer leur capacité d'être résilients. Cette étude nous permet de proposer trois mécanismes visant à développer la résilience: (i) l'introduction de comportements aléatoires, (ii) la limitation de la longueur des routes et (iii) la réplication de paquets. Nous appliquons ces mécanismes aux protocoles classiques et nous les étudions selon notre métrique. Pour confirmer les résultats de simulations, nous proposons enfin un travail théorique pour mesurer analytiquement la résilience en nous basant sur le modèle des marches aléatoires biaisées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)