On Information-centric Resiliency and System-level Security in Constrained, Wireless Communication

The Internet of Things (IoT) interconnects many heterogeneous embedded devices either locally between each other, or globally with the Internet. These things are resource-constrained, e.g., powered by battery, and typically communicate via low-power and lossy wireless links. Communication needs to be secured and relies on crypto-operations that are often resource-intensive and in conflict with the device constraints. These challenging operational conditions on the cheapest hardware possible, the unreliable wireless transmission, and the need for protection against common threats of the inter-network, impose severe challenges to IoT networks. In this thesis, we advance the current state of the art in two dimensions. Part I assesses Information-centric networking (ICN) for the IoT, a network paradigm that promises enhanced reliability for data retrieval in constrained edge networks. ICN lacks a lower layer definition, which, however, is the key to enable device sleep cycles and exclusive wireless media access. This part of the thesis designs and evaluates an effective media access strategy for ICN to reduce the energy consumption and wireless interference on constrained IoT nodes. Part II examines the performance of hardware and software crypto-operations, executed on off-the-shelf IoT platforms. A novel system design enables the accessibility and auto-configuration of crypto-hardware through an operating system. One main focus is the generation of random numbers in the IoT. This part of the thesis further designs and evaluates Physical Unclonable Functions (PUFs) to provide novel randomness sources that generate highly unpredictable secrets, on low-cost devices that lack hardware-based security features. This thesis takes a practical view on the constrained IoT and is accompanied by real-world implementations and measurements. We contribute open source software, automation tools, a simulator, and reproducible measurement results from real IoT deployments using off-the-shelf hardware. The large-scale experiments in an open access testbed provide a direct starting point for future research

New Classes of Binary Random Sequences for Cryptography

In the vision for the 5G wireless communications advancement that yield new security prerequisites and challenges we propose a catalog of three new classes of pseudorandom random sequence generators. This dissertation starts with a review on the requirements of 5G wireless networking systems and the most recent development of the wireless security services applied to 5G, such as private-keys generation, key protection, and flexible authentication. This dissertation proposes new complexity theory-based, number-theoretic approaches to generate lightweight pseudorandom sequences, which protect the private information using spread spectrum techniques. For the class of new pseudorandom sequences, we obtain the generalization. Authentication issues of communicating parties in the basic model of Piggy Bank cryptography is considered and a flexible authentication using a certified authority is proposed

Robust and secure resource management for automotive cyber-physical systems

2022 Spring.Includes bibliographical references.Modern vehicles are examples of complex cyber-physical systems with tens to hundreds of interconnected Electronic Control Units (ECUs) that manage various vehicular subsystems. With the shift towards autonomous driving, emerging vehicles are being characterized by an increase in the number of hardware ECUs, greater complexity of applications (software), and more sophisticated in-vehicle networks. These advances have resulted in numerous challenges that impact the reliability, security, and real-time performance of these emerging automotive systems. Some of the challenges include coping with computation and communication uncertainties (e.g., jitter), developing robust control software, detecting cyber-attacks, ensuring data integrity, and enabling confidentiality during communication. However, solutions to overcome these challenges incur additional overhead, which can catastrophically delay the execution of real-time automotive tasks and message transfers. Hence, there is a need for a holistic approach to a system-level solution for resource management in automotive cyber-physical systems that enables robust and secure automotive system design while satisfying a diverse set of system-wide constraints. ECUs in vehicles today run a variety of automotive applications ranging from simple vehicle window control to highly complex Advanced Driver Assistance System (ADAS) applications. The aggressive attempts of automakers to make vehicles fully autonomous have increased the complexity and data rate requirements of applications and further led to the adoption of advanced artificial intelligence (AI) based techniques for improved perception and control. Additionally, modern vehicles are becoming increasingly connected with various external systems to realize more robust vehicle autonomy. These paradigm shifts have resulted in significant overheads in resource constrained ECUs and increased the complexity of the overall automotive system (including heterogeneous ECUs, network architectures, communication protocols, and applications), which has severe performance and safety implications on modern vehicles. The increased complexity of automotive systems introduces several computation and communication uncertainties in automotive subsystems that can cause delays in applications and messages, resulting in missed real-time deadlines. Missing deadlines for safety-critical automotive applications can be catastrophic, and this problem will be further aggravated in the case of future autonomous vehicles. Additionally, due to the harsh operating conditions (such as high temperatures, vibrations, and electromagnetic interference (EMI)) of automotive embedded systems, there is a significant risk to the integrity of the data that is exchanged between ECUs which can lead to faulty vehicle control. These challenges demand a more reliable design of automotive systems that is resilient to uncertainties and supports data integrity goals. Additionally, the increased connectivity of modern vehicles has made them highly vulnerable to various kinds of sophisticated security attacks. Hence, it is also vital to ensure the security of automotive systems, and it will become crucial as connected and autonomous vehicles become more ubiquitous. However, imposing security mechanisms on the resource constrained automotive systems can result in additional computation and communication overhead, potentially leading to further missed deadlines. Therefore, it is crucial to design techniques that incur very minimal overhead (lightweight) when trying to achieve the above-mentioned goals and ensure the real-time performance of the system. We address these issues by designing a holistic resource management framework called ROSETTA that enables robust and secure automotive cyber-physical system design while satisfying a diverse set of constraints related to reliability, security, real-time performance, and energy consumption. To achieve reliability goals, we have developed several techniques for reliability-aware scheduling and multi-level monitoring of signal integrity. To achieve security objectives, we have proposed a lightweight security framework that provides confidentiality and authenticity while meeting both security and real-time constraints. We have also introduced multiple deep learning based intrusion detection systems (IDS) to monitor and detect cyber-attacks in the in-vehicle network. Lastly, we have introduced novel techniques for jitter management and security management and deployed lightweight IDSs on resource constrained automotive ECUs while ensuring the real-time performance of the automotive systems

Security of Ubiquitous Computing Systems

The chapters in this open access book arise out of the EU Cost Action project Cryptacus, the objective of which was to improve and adapt existent cryptanalysis methodologies and tools to the ubiquitous computing framework. The cryptanalysis implemented lies along four axes: cryptographic models, cryptanalysis of building blocks, hardware and software security engineering, and security assessment of real-world systems. The authors are top-class researchers in security and cryptography, and the contributions are of value to researchers and practitioners in these domains. This book is open access under a CC BY license

A critical analysis of research potential, challenges and future directives in industrial wireless sensor networks

In recent years, Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs) have emerged as an important research theme with applications spanning a wide range of industries including automation, monitoring, process control, feedback systems and automotive. Wide scope of IWSNs applications ranging from small production units, large oil and gas industries to nuclear fission control, enables a fast-paced research in this field. Though IWSNs offer advantages of low cost, flexibility, scalability, self-healing, easy deployment and reformation, yet they pose certain limitations on available potential and introduce challenges on multiple fronts due to their susceptibility to highly complex and uncertain industrial environments. In this paper a detailed discussion on design objectives, challenges and solutions, for IWSNs, are presented. A careful evaluation of industrial systems, deadlines and possible hazards in industrial atmosphere are discussed. The paper also presents a thorough review of the existing standards and industrial protocols and gives a critical evaluation of potential of these standards and protocols along with a detailed discussion on available hardware platforms, specific industrial energy harvesting techniques and their capabilities. The paper lists main service providers for IWSNs solutions and gives insight of future trends and research gaps in the field of IWSNs

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /