On Enhancements of Physical Layer Secret Key Generation and Its Application in Wireless Communication Systems

As an alternative and appealing approach to providing information security in wireless communication systems, secret key generation at physical layer has demonstrated its potential in terms of efficiency and reliability over traditional cryptographic methods. Without the necessity of a management centre for key distribution or reliance on computational complexity, physical layer key generation protocols enable two wireless entities to extract identical and dynamic keys from the randomness of the wireless channels associated with them. In this thesis, the reliability of secret key generation at the physical layer is examined in practical wireless channels with imperfect channel state information (CSI). Theoretical analyses are provided to relate key match rate with channel\u27s signal-to-noise ratio (SNR), degrees of channel reciprocity, and iterations of information reconciliation. In order to increase key match rate of physical layer secret key generation, improved schemes in the steps of channel estimation and sample quantization are proposed respectively. In the channel estimation step, multiple observations of the wireless channels are integrated with a linear processor to provide a synthesized and more accurate estimation of the wireless channel. In the sample quantization step, a magnitude based quantization method with two thresholds is proposed to quantize partial samples, where specific quantization areas are selected to reduce cross-over errors. Significant improvements in key match rate are proven for both schemes in theoretical analysis and numerical simulations. Key match rate can even achieve 100% in both schemes with the assistance of information reconciliation process. In the end, a practical application of physical layer secret key generation is presented, where dynamic keys extracted from the wireless channels are utilized for securing secret data transmission and providing efficient access control

Experimental Study on Key Generation for Physical Layer Security in Wireless Communications

This paper presents a thorough experimental study on key generation principles, i.e., temporal variation, channel reciprocity, and spatial decorrelation, through a testbed constructed by using wireless open-access research platform. It is the first comprehensive study through: 1) carrying out a number of experiments in different multipath environments, including an anechoic chamber, a reverberation chamber, and an indoor office environment, which represents little, rich, and moderate multipath, respectively; 2) considering static, object moving, and mobile scenarios in these environments, which represents different levels of channel dynamicity; and 3) studying two most popular channel parameters, i.e., channel state information and received signal strength. Through results collected from over a hundred tests, this paper offers insights to the design of a secure and efficient key generation system. We show that multipath is essential and beneficial to key generation as it increases the channel randomness. We also find that the movement of users/objects can help introduce temporal variation/randomness and help users reach an agreement on the keys. This paper complements existing research by experiments constructed by a new hardware platform

Secure key design approaches using entropy harvesting in wireless sensor network: A survey

Physical layer based security design in wireless sensor networks have gained much importance since the past decade. The various constraints associated with such networks coupled with other factors such as their deployment mainly in remote areas, nature of communication etc. are responsible for development of research works where the focus is secured key generation, extraction, and sharing. Keeping the importance of such works in mind, this survey is undertaken that provides a vivid description of the different mechanisms adopted for securely generating the key as well its randomness extraction and also sharing. This survey work not only concentrates on the more common methods, like received signal strength based but also goes on to describe other uncommon strategies such as accelerometer based. We first discuss the three fundamental steps viz. randomness extraction, key generation and sharing and their importance in physical layer based security design. We then review existing secure key generation, extraction, and sharing mechanisms and also discuss their pros and cons. In addition, we present a comprehensive comparative study of the recent advancements in secure key generation, sharing, and randomness extraction approaches on the basis of adversary, secret bit generation rate, energy efficiency etc. Finally, the survey wraps up with some promising future research directions in this area

Towards Practical and Secure Channel Impulse Response-based Physical Layer Key Generation

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internet-fähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird

Key Generation in Wireless Sensor Networks Based on Frequency-selective Channels - Design, Implementation, and Analysis

Key management in wireless sensor networks faces several new challenges. The scale, resource limitations, and new threats such as node capture necessitate the use of an on-line key generation by the nodes themselves. However, the cost of such schemes is high since their secrecy is based on computational complexity. Recently, several research contributions justified that the wireless channel itself can be used to generate information-theoretic secure keys. By exchanging sampling messages during movement, a bit string can be derived that is only known to the involved entities. Yet, movement is not the only possibility to generate randomness. The channel response is also strongly dependent on the frequency of the transmitted signal. In our work, we introduce a protocol for key generation based on the frequency-selectivity of channel fading. The practical advantage of this approach is that we do not require node movement. Thus, the frequent case of a sensor network with static motes is supported. Furthermore, the error correction property of the protocol mitigates the effects of measurement errors and other temporal effects, giving rise to an agreement rate of over 97%. We show the applicability of our protocol by implementing it on MICAz motes, and evaluate its robustness and secrecy through experiments and analysis.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Dependable and Secure Computin

Secret Key Generation Based on AoA Estimation for Low SNR Conditions

In the context of physical layer security, a physical layer characteristic is used as a common source of randomness to generate the secret key. Therefore an accurate estimation of this characteristic is the core for reliable secret key generation. Estimation of almost all the existing physical layer characteristic suffer dramatically at low signal to noise (SNR) levels. In this paper, we propose a novel secret key generation algorithm that is based on the estimated angle of arrival (AoA) between the two legitimate nodes. Our algorithm has an outstanding performance at very low SNR levels. Our algorithm can exploit either the Azimuth AoA to generate the secret key or both the Azimuth and Elevation angles to generate the secret key. Exploiting a second common source of randomness adds an extra degree of freedom to the performance of our algorithm. We compare the performance of our algorithm to the algorithm that uses the most commonly used characteristics of the physical layer which are channel amplitude and phase. We show that our algorithm has a very low bit mismatch rate (BMR) at very low SNR when both channel amplitude and phase based algorithm fail to achieve an acceptable BMR