A Survey on Wireless Sensor Network Security

Wireless sensor networks (WSNs) have recently attracted a lot of interest in the research community due their wide range of applications. Due to distributed nature of these networks and their deployment in remote areas, these networks are vulnerable to numerous security threats that can adversely affect their proper functioning. This problem is more critical if the network is deployed for some mission-critical applications such as in a tactical battlefield. Random failure of nodes is also very likely in real-life deployment scenarios. Due to resource constraints in the sensor nodes, traditional security mechanisms with large overhead of computation and communication are infeasible in WSNs. Security in sensor networks is, therefore, a particularly challenging task. This paper discusses the current state of the art in security mechanisms for WSNs. Various types of attacks are discussed and their countermeasures presented. A brief discussion on the future direction of research in WSN security is also included.Comment: 24 pages, 4 figures, 2 table

Byzantine fault-tolerant agreement protocols for wireless Ad hoc networks

Tese de doutoramento, Informática (Ciências da Computação), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010.The thesis investigates the problem of fault- and intrusion-tolerant consensus in resource-constrained wireless ad hoc networks. This is a fundamental problem in distributed computing because it abstracts the need to coordinate activities among various nodes. It has been shown to be a building block for several other important distributed computing problems like state-machine replication and atomic broadcast. The thesis begins by making a thorough performance assessment of existing intrusion-tolerant consensus protocols, which shows that the performance bottlenecks of current solutions are in part related to their system modeling assumptions. Based on these results, the communication failure model is identified as a model that simultaneously captures the reality of wireless ad hoc networks and allows the design of efficient protocols. Unfortunately, the model is subject to an impossibility result stating that there is no deterministic algorithm that allows n nodes to reach agreement if more than n2 omission transmission failures can occur in a communication step. This result is valid even under strict timing assumptions (i.e., a synchronous system). The thesis applies randomization techniques in increasingly weaker variants of this model, until an efficient intrusion-tolerant consensus protocol is achieved. The first variant simplifies the problem by restricting the number of nodes that may be at the source of a transmission failure at each communication step. An algorithm is designed that tolerates f dynamic nodes at the source of faulty transmissions in a system with a total of n 3f + 1 nodes. The second variant imposes no restrictions on the pattern of transmission failures. The proposed algorithm effectively circumvents the Santoro- Widmayer impossibility result for the first time. It allows k out of n nodes to decide despite dn 2 e(nk)+k2 omission failures per communication step. This algorithm also has the interesting property of guaranteeing safety during arbitrary periods of unrestricted message loss. The final variant shares the same properties of the previous one, but relaxes the model in the sense that the system is asynchronous and that a static subset of nodes may be malicious. The obtained algorithm, called Turquois, admits f < n 3 malicious nodes, and ensures progress in communication steps where dnf 2 e(n k f) + k 2. The algorithm is subject to a comparative performance evaluation against other intrusiontolerant protocols. The results show that, as the system scales, Turquois outperforms the other protocols by more than an order of magnitude.Esta tese investiga o problema do consenso tolerante a faltas acidentais e maliciosas em redes ad hoc sem fios. Trata-se de um problema fundamental que captura a essência da coordenação em actividades envolvendo vários nós de um sistema, sendo um bloco construtor de outros importantes problemas dos sistemas distribuídos como a replicação de máquina de estados ou a difusão atómica. A tese começa por efectuar uma avaliação de desempenho a protocolos tolerantes a intrusões já existentes na literatura. Os resultados mostram que as limitações de desempenho das soluções existentes estão em parte relacionadas com o seu modelo de sistema. Baseado nestes resultados, é identificado o modelo de falhas de comunicação como um modelo que simultaneamente permite capturar o ambiente das redes ad hoc sem fios e projectar protocolos eficientes. Todavia, o modelo é restrito por um resultado de impossibilidade que afirma não existir algoritmo algum que permita a n nós chegaram a acordo num sistema que admita mais do que n2 transmissões omissas num dado passo de comunicação. Este resultado é válido mesmo sob fortes hipóteses temporais (i.e., em sistemas síncronos) A tese aplica técnicas de aleatoriedade em variantes progressivamente mais fracas do modelo até ser alcançado um protocolo eficiente e tolerante a intrusões. A primeira variante do modelo, de forma a simplificar o problema, restringe o número de nós que estão na origem de transmissões faltosas. É apresentado um algoritmo que tolera f nós dinâmicos na origem de transmissões faltosas em sistemas com um total de n 3f + 1 nós. A segunda variante do modelo não impõe quaisquer restrições no padrão de transmissões faltosas. É apresentado um algoritmo que contorna efectivamente o resultado de impossibilidade Santoro-Widmayer pela primeira vez e que permite a k de n nós efectuarem progresso nos passos de comunicação em que o número de transmissões omissas seja dn 2 e(n k) + k 2. O algoritmo possui ainda a interessante propriedade de tolerar períodos arbitrários em que o número de transmissões omissas seja superior a . A última variante do modelo partilha das mesmas características da variante anterior, mas com pressupostos mais fracos sobre o sistema. Em particular, assume-se que o sistema é assíncrono e que um subconjunto estático dos nós pode ser malicioso. O algoritmo apresentado, denominado Turquois, admite f < n 3 nós maliciosos e assegura progresso nos passos de comunicação em que dnf 2 e(n k f) + k 2. O algoritmo é sujeito a uma análise de desempenho comparativa com outros protocolos na literatura. Os resultados demonstram que, à medida que o número de nós no sistema aumenta, o desempenho do protocolo Turquois ultrapassa os restantes em mais do que uma ordem de magnitude.FC

On the Security of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast Protocol

Automatic dependent surveillance-broadcast (ADS-B) is the communications protocol currently being rolled out as part of next generation air transportation systems. As the heart of modern air traffic control, it will play an essential role in the protection of two billion passengers per year, besides being crucial to many other interest groups in aviation. The inherent lack of security measures in the ADS-B protocol has long been a topic in both the aviation circles and in the academic community. Due to recently published proof-of-concept attacks, the topic is becoming ever more pressing, especially with the deadline for mandatory implementation in most airspaces fast approaching. This survey first summarizes the attacks and problems that have been reported in relation to ADS-B security. Thereafter, it surveys both the theoretical and practical efforts which have been previously conducted concerning these issues, including possible countermeasures. In addition, the survey seeks to go beyond the current state of the art and gives a detailed assessment of security measures which have been developed more generally for related wireless networks such as sensor networks and vehicular ad hoc networks, including a taxonomy of all considered approaches.Comment: Survey, 22 Pages, 21 Figure

Achieving fault-tolerant consensus in ad hoc networks

Tese de mestrado em Engenharia Informática (Arquitectura, Sistemas e Redes de Computadores), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013Consensus plays a fundamental role in distributed systems. This operation consists in having every process in a distributed system, or a subset of processes, to agree upon a value that was proposed by any of the processes. Consensus is used to solve several problems in distributed systems computation, such as: state machine replication, leader election and atomic broadcast, allowing the coordination of the network. Its applicability becomes more important and difficult to implement in wireless ad hoc networks that are vulnerable to intrusions. When dealing with a wireless ad hoc network, specially one composed by mobile devices that are constantly moving, there are several obstacles that have to be overcome such as the unreliability in the communication, the hardware limitations of the devices, the limited communication range and the exposure to malicious users. The project consists in the design, implementation, test and analysis of Byzantine fault-tolerant consensus protocols for wireless ad hoc networks. It is assumed that the number of participants is unknown and the consensus protocols execute in a group of processes called sink. The protocols are byzantine fault-tolerant and circumvent both FLP and Santoro-Widmayer impossibility results. Three forms of consensus protocols were considered: binary, multivalued and vector. The protocols were organized in a stack, where lower level protocols were used to build higher ones. The stack was implemented as a library and was tested in a simulation environment. Some preliminary tests were also performed with Android devices. The evaluation of the protocols shows that they exhibit good performance in several scenarios and even under attack.O consenso tem um papel fundamental em sistemas distribuídos. Esta operação consiste em ter todos os processos num sistema distribuído, ou um subconjunto de processos, a acordar num valor que foi proposto por algum dos processos. O consenso é usado para resolver vários problemas na computação de um sistema distribuído, como por exemplo: máquina de estados replicada, eleição de líder e difusão atómica, permitindo a coordenação da rede. A sua utilidade torna-se mais importante e difícil de implementar em redes ad hoc móveis sem fios que estão vulneráveis a intrusões. Quando se está a lidar com uma rede ad hoc sem fios, especialmente uma composta por dispositivos móveis que apresentam uma mobilidade constante, existe um conjunto de obstáculos relacionados com a falta de fiabilidade na comunicação, as limitações dos equipamentos, o seu reduzido alcance de comunicação e a exposição¸ ao a utilizadores mal intencionados. O projecto consiste no desenho, implementação, teste e análise de protocolos de consenso tolerantes a faltas bizantinas para redes ad hoc sem fios. ´E assumido que o número de participantes é desconhecido e os protocolos de consenso são executados num grupo de processos denominado poço. Os protocolos são tolerantes a faltas bizantinas e contornam os resultados de impossibilidade de FLP e de Santoro-Widmayer. Foram considerados três tipos de protocolos de consenso: binário, multi-valor e vector. Os protocolos estão organizados numa pilha, onde protocolos de baixo nível foram usados para construir os protocolos de níveis superiores. A pilha foi implementada como uma biblioteca e foi testada em ambiente de simulação. Alguns testes preliminares foram também efectuados com dispositivos Android. A avaliação dos protocolos revela que estes exibem um bom desempenho em vários cenários e mesmo sobre ataque