Arquitectura de seguridad para la cooperación entre robots aéreos y redes de sensores

Abstract

En esta Tesis Doctoral se ha diseñado, desarrollado, implementado, experimentado y validado SNSR (Sensor Network Security using Robots), una arquitectura novedosa, abierta y flexible que mejora la seguridad en las redes inalámbricas de sensores estáticas al beneficiarse de la cooperación de la red de sensores con los robots. En SNSR, los robots realizan la autenticación de nodos sensores y la localización basada en radio (lo que permite el cálculo de topología centralizado y el establecimiento de rutas) e interactúan directamente con los nodos para enviarles configuraciones o recibir informes de estado y anomalías sin intermediarios. El funcionamiento de SNSR se divide en etapas configuradas en una estructura iterativa de retroalimentación, que permite repetir la ejecución de etapas para adaptarse a cambios, responder a ataques o detectar y corregir errores. El uso de robots brinda a SNSR capacidades mejoradas de detección y mitigación de ataques, y mejora la prevención al reemplazar tareas que en las arquitecturas tradicionales son propensas a ataques o requieren información preestablecida. Esto proporciona altos niveles de seguridad y adaptabilidad sin requerir mecanismos complejos. Para implementar SNSR se ha creado un nuevo sistema operativo de red simple e independiente de la red de sensores que proporciona flexibilidad para probar diferentes configuraciones, algoritmos y protocolos, pero sin llegar a los niveles físico y de enlace. Se ha desarrollado e implementado una nueva pila de protocolos, ubicada sobre una capa de enlace existente. Esta pila de protocolos se compone de un nivel de aplicación, un nivel de transporte, un nivel de red y un nivel de adaptación al nivel de enlace. El nivel de adaptación hace que los niveles superiores sean independientes del nivel de enlace real. El nivel de aplicación permite ejecutar las aplicaciones de gestión de cada entidad siguiendo las especificaciones de SNSR. Se ha realizado un análisis cualitativo de seguridad frente a 33 ataques de seguridad diferentes. Además, se ha creado una plataforma de pruebas que permita la experimentación repetible y rigorosa de nuevas tecnologías, protocolos y métodos de seguridad basados en SNSR tanto en escenarios reales como en virtualizados. Con ella se han realizado miles de experimentos con distintos escenarios virtuales y reales con robots terrestres y aéreos. Los resultados han demostrado la seguridad, eficiencia y escalabilidad de SNSR.

In this Ph.D. Thesis, SNSR (Sensor Network Security using Robots), a novel, open, and flexible architecture that improves security in static wireless sensor networks by benefiting from robot-sensor network cooperation, has been designed, developed, implemented, experimented, and validated. In SNSR, the robots perform sensor node authentication and radio-based localization (enabling centralized topology computation and route establishment) and directly interact with nodes to send them configurations or receive status and anomaly reports without intermediaries. SNSR operation is divided into stages set in a feedback iterative structure, which enables repeating the execution of stages to adapt to changes, respond to attacks, or detect and correct errors. The use of robots provides SNSR with enhanced attack detection and mitigation capabilities, and improves prevention by replacing tasks that in traditional architectures are prone to attacks or require preset information. This provides high security levels and adaptability without requiring complex mechanisms. To implement SNSR, a new simple network operating system has been created, independent of the sensor network, which provides flexibility for developing different configurations, algorithms and protocols, but without reaching the physical and link layers. A new protocol stack has been developed and implemented, sitting on top of an existing link layer. This protocol stack is composed of an application layer, a transport layer, a network layer, and a link layer adaptation layer. The adaptation layer makes the upper layers independent of the actual link layer. The application layer allows running the management applications of each entity following the SNSR specifications. A qualitative security analysis has been carried out against 33 different security attacks. In addition, a test platform has been created that allows repeatable and rigorous experimentation of new technologies, protocols and security methods based on SNSR in both real and virtualized scenarios. With it, thousands of experiments have been carried out with different virtual and real scenarios with terrestrial and aerial robots. The results have demonstrated the security, efficiency and scalability of SNSR.