Yardımlaşan Nesne Ağlarında Yönlendirme Güvenliği

ASKERİ
İŞBİRLİKLİ NESNE
AĞLARINDA GÜVENLİK
Pelin Ç. Nar
İbrahim Bilgin
ÖZET
Duyarga düğüm
İşbirlikli Nesne Ağları
Tetikleyici düğüm
Düğümlerin donanımsal kısıtları,
kablosuz iletişim ortamı,
gerçek zamanda işlem ihtiyacı,
heterojen yapı,
düğüm sayısının fazlalığı,
ölçeklenebilirlik ihtiyacı,
gezginlik,
uygulama ortam şartlarının ağırlığı
maliyet
GÜVENLİK AÇIĞI
Bu çalışmada;
işbirlikli nesne ağlarının güvenliğine
etki eden özellikleri,
bu özelliklerden kaynaklanan güvenlik
açıkları,
muhtemel
önerileri
saldırı
türleri
ve
çözüm
Konular
İşbirlikli Nesne Ağları nedir?
İşbirlikli Nesne Ağlarının kullanım alanları
İşbirlikli Nesne Ağlarının Özellikleri
Konular
İşbirlikli Nesne Ağlarında Güvenlik




Etki eden Faktörler
Güvenlik Açıkları
Saldırı Yöntemleri
Güvenlik Çözümleri
Sonuç
İşbirlikli Nesne Ağları nedir?
Duyarga (sensor) ve tetikleyici (actuator) ağlarının imkan
ve kabiliyetlerinden daha iyi istifade edebilme arayışı
İşbirlikli Nesne Ağları
işbirlikli nesneler (YN) “belli bir amacı gerçekleştirmek
üzere, ortamla ve birbirleriyle etkileşebilen ve iş birliği
içerisinde üzerlerine düşen görevleri otonom olarak
gerçekleştirebilen duyargalar, tetikleyiciler ve yardımlaşan
nesneler şeklinde tanımlanabilir.
Heterojen Yapı
Duyarga Ağı Yapısı
Duyarga (sensor) ve tetikleyici
(actuator) ağlarının yapısı
Task Manager
Node
Sink
Sensor/Actor field
Sensor
Actor
İşbirlikli Nesne Ağlarının
Kullanım Alanları
Ana kara güvenliği
(Homeland security)
Askeri sistemler
(Military applications)
Yıkım onarımı
(Disaster recovery)
Arama kurtarma
(Search and rescue)
Sağlık
(Health care)
zaman-kritik ,
hayati önem arz eden
İşbirlikli Nesne Ağlarının Özellikleri
Sualtı Gözetleme ve Savunma Sistemi
SGS Sistemi
SGSS İlişki Şeması
ROBOAT: küçük ve hafif suüstü vasıtaları -> YN
tahrik sistemi+radyo transiver
Görevleri: denizaltı duyargalarını (DD) harekat sahasına
dağıtmaktır.
Denizaltı duyargaları (DD) ->YN
• ses, sıcaklık ve manyetik duyargaları,
• bir adet radyo alıcı/vericisi,
• deniz içerisinde aşağı yukarı hareket edebilmeyi sağlayan
bir mekanizma
• düğümün satıhta kalmasını sağlayan ve radyo alıcı/vericisini
üzerinde bulunduran bir şamandıra
ROBOAT’lar tarafından su sathına bırakılan her DD, harekat
sahasının maksimum kaplamasını sağlamak üzere kendi
derinliğini otomatik olarak ayarlamaktadır.
Duyargalardan herhangi birinin
denizaltı teması alması durumunda:
muhtemel
bir
bahse konu bölgenin daha hassas algılanması
maksadıyla ROBOAT’lar tarafından o bölgeye ilave
duyargalar atılmaktadır.
Temasın kesin denizaltı olarak sınıflandırılması
durumunda, ROBOAT’lar tarafından durum bir işaret
ile kendilerini bölgeye getiren suüstü aracına
bildirilmekte ve torpido angajmanı için bölge
boşaltılmaktadır.
Torpido angajman sonucunun değerlendirlmesi de
yine ROBOAT’lar tarafından bölgeye atılan uygun
duyargalara
sahip
YN’ler
tarafından
gerçekleştirilmektedir.
Görev sonunda suüstü aracı tarafından
yapılan
bir
yayımla
tüm
düğümler
duyargalarını satha çekmekte ve düğümler
ROBOAT’lar tarafından toplanmaktadır.
İşbirlikli Nesne Ağlarında
Güvenlik
Kullanım alanlarından dolayı güvenlik
önemli bir ihtiyaç


Askeri alandaki kullanım
Kritik bilgilerin taşınması
Güvenliğe Etki Eden Faktörler
Donanımsal Kısıtlılık
Kablosuz İletişim
Heterojen Yapı
Ölçeklenebillirlik İhtiyacı
Gezginlik
Ortam
Maaliyet
Gerçek Zamanda İşlem İhtiyacı
Donanımsal Kısıtlılık
Örnek: MICA mote (duyarga düğümü)
Özellikler
Harcama
CPU
4 MHz 8-bit Atmel ATMEGA 103
5.5 mA – Aktif (3V)
50 µA – Pasif (3V)
Bellek
128 KB Komut
512 KB Veri (Flash)
Haberleşme RFM radyo 916 MHz –
10’larca metre kapsama alanı
Band
Genişliğ
i
40 Kbps
Güç
Kaynağı
2 AA Pil – 2850 mA – 3V
12 mA – Verici
4.8 mA – Alıcı
5 µA – Uykuda
DD ve ROBOAT İletişim Donanımı
Donanımsal Kısıtlılık
Klasik güvenlik uygulamaları kapasitenin
üzerinde
Gerçek- Zaman (Real-time) kısıtı
Uzun süre çalışma – Enerji tasarrufu
Düşük band genişliği
Kablosuz İletişim Ortamı
Gürültüye açık
Güç harcaması kısıtından dolayı menzil
kısıtlı:
Doğrudan baz istasyonuna iletim yerine
düğümden düğüme (multi-hop) yöntemi
Heterojen Yapı
YN


basit bir düğüm
Diğer YN’lerin bir araya gelmesiyle olusan üst
düzey bir nesne de olabilir.
Yazılımlar bu heterojen yapıyı idare
edebilmek için daha karmaşık bir yapıya
sahip
Bu da güvenlik açıklarına sebep olmakta
Ölçeklenebilirlik
Temel ihtiyaçlardan biri
Devre dışı kalan düğümlerin yerini
yenilerinin alması söz konusu
Dinamik bir ağ topolojisi şart
Dinamik topoloji güvenlik problemlerini
beraberinde getiriyor
Gezginlik (Mobility)
Kendileri hareketli olabilir
Ortam hareketiyle pasif bir harekete sahip
olabilirler
Dinamik yönlendirme ile birlikte güvenlik
problemi artıyor
Ortam Özellikleri
Zorlu ortamlar




Kimyasal kirlilik
Deniz
Açık hava
Yıkım bölgeleri
Çevresel faktörlere/saldırganlara açık
Maliyet
İnsan güvenliğini daha az tehlikeye
sokmaları tercih sebebi
Düğümlerin toplam maliyeti düşük olmalı
Yoksa tercih sebepleri azalacaktır
Maaliyet – Güvenlik ikilemi
Gerçek Zamanlı İşlem İhtiyacı
Zaman- kritik, hayati uygulamalarda
kullanılmaktalar
Gerçek zamanda (real-time)işlem ihtiyacı
doğuyor
Güvenlik uygulamaları işlem yükü getirir
Güvenlik - Gerçek zamanda işlem ikilemi
Güvenlik Açıkları
Bazı kabullenmeler gerekli:





Kablosuz iletişim güvensizdir
Fiziksel ortam güvensizdir
Düğümler ele geçirilip ağa karşı kullanılabilir
Düğümler ele geçirilip sahip oldukları bilgi ve
yazılım saldırgan lehine kullanılabilir
Baz istasyonları güvenlidir
Tehdit Grupları
Gizliliğe yönelik
Bütünlüğe yönelik
Kullanılabilirliğe yönelik
Gizliliğe Yönelik Tehditler
Pasif dinleme:

Uygun yerden paketler pasif olarak
dinlenebilir
İşbirlikçi düğüm kullanma:

Casus düğümler yardımıyla bilgi sızdırma
Bütünlüğe Yönelik Tehditler
Temelde: Asılama + veri bütünlüğü hedef alınır
2 tip saldırı:


Duyulan veri değiştirilerek ağa verilir
Ağa doğrudan yanlış bilgi enjekte edilir
Tümüyle kullanılmaz durumda veri
Kullanılabilir ancak yanlış bilgi
İki yöntem kullanılabilir:


Dinleme ve Aktif İletim
İşbirlikçi Düğüm Kullanma
Ağların kullanım alanlarından dolayı doğru
bilgilendirme hayati önem taşıyabilir
Kullanılabilirliğe Yönelik Tehditler
Kullanılabilirlik:


“Tasarlandıkları amaca hizmet etme”
Duyargalar vasıtasıyla algılamak ve tetikleyiciler
vasıtasyla uygun tepkiyi göstermek
DoS (Denial of Service) saldırıları servis dışı
bırakmayı amaçlar.
Gerçekleştirme yöntemleri:


Fiziksel katmanda yapılan saldırılar
Güç tüketimini arttırmaya yönelik saldırılar
Temelde gerekjsiz trafik yaratılması

İşbirlikçi düğümlerin kullanılması
Saldırı Yöntemleri
1. Taklit edilen, değiştirilen veya yinelenen
yönlendirme bilgisi
2. Seçici İletim
3. Sinkhole Saldırısı
4. Sybil Saldısısı
5. Solucan Delikleri
6. Hello Baskın Saldırısı
7. Alındı Taklidi
1. Taklit Edilen, Değiştirilen ve
Yinelenen Yönlendirme Bilgisi
Hedef, doğrudan ağ yönlendirmesidir
Yönlendirme bilgisi



Taklit edilir
Değiştirilir
Yinelenir
Amaç:





Yönlendirme döngüleri oluşturmak
Ağ trafiğinin belli bölgelere ulaşımını engelemek
Trafiği istenen casus düğümlere yönlendirmek
Trafik yollarını uzatmak/kısaltmak
Ağı parçalamak
2. Seçici İletim (Selective
Forwarding)
Paketlerin alıcıya (çoğunlukla baz
istasyonuna) ulaşmasının engellenmesi
Çeşitli yöntemler kullanılarak gerçeklenir
2 şekilde olabilir


Kara Delik: Alınan tüm paketler ağdan
düşürülür. (Tespit edilmesi kolay)
Seçici: Bazı paketler dışındakiler normal bir
şekilde iletilir. (Tespit edilmesi zor)
3. Sinkhole Saldırıları
Ağ trafiğini belli bir merkeze odaklamak
amaçlanır
Ağa cazip bir yönlendirme bilgisi sunulur
Takdim edilen yönlendirme bilgisi:
Sahte olabilir
Doğru (Ağ dışından daha güçlü bir
bağlantıyla direkt baz istasyonuna iletim)
olabilir.
Seçici iletim saldırılarına imkan verir
4. Sybil Saldırıları
Casus düğüm ağa kendini farklı kimliklerle
tanıtır
Çoklu yol (Multi-path) yönteminde bütün
paketler ayni casus düğüme gönderiliyor
olabilir.
Cğrafi yönlendirme ağlarında kendilerini
birkaç noktada bulunuyormuş gibi
gösterebilirler
Örnek: Coğrafi Yönlendirmeye
Sybil Saldırısı
A1(2,3)
C(0,2)
A3(1,2)
B(2,2)
A at (3,2)
A1at (2,3)
A2at (2,1)
A3at (1,2)
A2(2,1)
A (3,2)
5. Solucan Delikleri (Wormholes)
Ağın Bir Bölgesinden alınan mesajların
başka bir bölgesine gecikmesi az olan bir
bağlantı üzerinden tünellenmesidir
2 iş birlikçi düğüm
Hop sayısı düşük gösterilerek etraftaki
düğümler için cazip bir yol sağlanır.
Sinkhole ve seçici yönlendirme saldırıları
ile birlikte kullanılır.
Örnek: Solucan Deliği
Base
6. Hello Baskın Saldırısı
Güçlü vericiye sahip saldırgan düğüm ağa
hello mesajı gönderir
Mesajı alanlar saldırgan düğüme komşu
olduklarıdı düşünür
Bu düğümlerin çıkış güçleri yeterli
olmayacağından bu düğüme gönderilen
mesajlar kaybolur
Ağ trafiğini kesebilir
Örnek: Hello Baskın Saldırısı
7. Alındı Taklidi
(Acknowledgement Spoofing)
Link katmanı alındı paketleri kulanılır
Düğümlerin gönderdiği paketler için sahte
alındı yollanır.
Zayıf bir linkin çalıştığı veya ölü bir
düğümün canlı olduğu izlenimi verilebilir.
Seçici iletim saldırılarına imkan verir
Güvenlik Çözümleri
TinySec
SPINS
Enerji Verimli Güvenlik Protokolü
Seviyelendirilmiş Güvenlik Katmanları
Karantina Bölgesi Yöntemi
TinySec
Berkeley Ünv. tarafından geliştirilmiş
Bağlantı Katmanı üzerinde tanımlı
Yetkisiz mesajlar baz istasyonuna
ulaşmadan, ağa ilk girişte yakalanması
amaçlanmış
DoS saldırılarına karşı etkili
TinySec: Gerçeklenme
2 şekilde:


Asıllama+şifreleme
Sadece asıllama
Asıllama için paketlere sasıllama kodu (MAC) eklenir
Şifrelemede:



Skipjack blok şifrelemesi
IV (8 Byte)
Şifre Bloğu Zincirlemesi (CBC)
Anahtarlama güvenlik seviyesine bağlı

Örn: Her ağ için bir anahtar çifti:
1. Veriyi şifrelemek için
2. MAC hesaplaması için
Tinysec: Performans Yükü
Asıllama + Şifreleme kullanılıyorsa

Band genişliğinde %10 ek yük
Sadece asıllama kullanılıyorsa:

Band genişliğinde %3 ek yük
SPINS(Security Protocols For
Sensor Networks)
Berkeley Ünv. tarafından geliştirilmiş
Temelde 2 protokol yapı taşı


µTESLA
SNEP
SNEP
Semantik Güvenlik:



Birden fazla şifreli kopyadan açık metin
çıkarılamaz
Her mesaj alış verişinde arttırılan, paylaşılan
bir sayaç sayesinde gerçeklenir (IV)
Blok şifreleyicileri sayaç madunda çalışır
(CTR):
Sayaç her blokta arttırılır
SNEP
Kimlik Kanıtlaması:

MAC
Tekrar koruması:

Sayaç MAC içinde karşıya gönderilir
Tazelik Tespiti:

MAC içinde karşıya gönderilen sayaç
garantiler
Düşük haberleşme Ek Yükü: Sayaç alıcı
ve vericide tutulduğu için az. (8 Byte)
SNEP
Şifrelenmiş veri: E = {D} (Kencr,C)
MAC: M = MAC (Kmac,C|E)
Şifreleme ve MAC anahtarları K anahtarından
elde edilir
A -> B: {D} (Kencr,C) ,MAC (Kmac,C|{D} (Kencr,C))
- D açık metin
- C başlangıç vektörü (IV)
- Kencr şifreleme anahtarı
- Kmac MAC alma anahtarı
µTESLA
Asıllanmış çoklu yayın (Broadcast) için kullanılır
Asıllama simetrik yapılır
Sadece gönderen tarafından bilinen bir anahtar
ve tek yönlü bir fonksiyonla MAC oluşturulur.
Anahtar mesajdan bir süre sonra yayınlanır.
Arabellekte tutulan paket alınan anahtar bilgisi
ile asıllanır.
Paket içeriğinin değiştirilme ihtimali ortadan
kalkmış olur.
Enerji Verimli Güvenlik Protokolü
NOVSF(Orthogonal Variable )




Her duyargaya atılmadan önce bir anahtar
verilir
Anahtar baz istasyonu tarafından bilinir
Baz istasyonu periyodik olarak yeni oturum
anahtarı yayımlar
Düğüm yeni anahtarı ve yeni oturum
anaharını kullanarak kendi gizli oturum
anahtarını elde eder
Asıllama + Veri Tazeliği sağlar
Enerji Verimli Güvenlik Protokolü
Ek tedbir: NOVSF kod atlaması
64 zaman yuvası (time sloth)
Bir çoklayıcıyla her oturumda veri blokları
farklı permütasyonla bu zaman yuvaların
aktarılır
Baz istasyonu küme başlarına (Cluser
Head) periyodik olarak yeni
permütasyonlar gönderir.
Çift katlı bir güvenik oluşturulmuş olur.
NOVSF Kod Atlaması
Blok 1
Blok 2
NOVSF
Yuva 1
NOVSF
Yuva 2
Blok 3
NOVSF
Yuva 3
....
....
Blok 8
NOVSF
Yuva 8
Seviyelendirilmiş Güvenlik
Mekanizmaları
Amaç: Güvenlik için minimum enerji sarfiyatı
Taşınan veriye göre güvenlik seviyelendirilmiş



Gezgin kod
Duyarga mevkii
Uygulamaya özel veri
Şifrelemede RC6 kullanılıyor
RC6’nın tur sayısı güvenlik seviyesine göre
tespit ediliyor
RC6: RC5 in aynı; AESnin 128 bit giriş/çıkış 128
bit blok uzunluğu gerekliliğini uygular.
Seviyelendirilmiş Güvenlik
Mekanizmaları
Güvenlik Seviyesi 1:


Gezgin kod ağ içinde daha az dolaşır
En üst seviye güvenlik
Güvenlik Seviyesi 2:




Duyarga mevkiileri her mesajda yer alır
Güçlü şifreleme ek yük
Mevkii bilgisinin ele geçirilmesi riskli
Ağ hücrelere bölünerek mevkii tabanlı anahtarlar
kullanılır
Güvenlik Seviyesi 3


Ağda en sık dolaşan uygulamaya özel verilerdir
Güvenlikten bir miktar ödün verilebilir
Karantina Bölgesi Yöntemi
Spam saldırılarına karşı geliştirilmiş
Spam Saldırısı Tespiti:


Baz istasyonu gelen mesajları içeriğe göre
filtreler ve
çok fazla hatalı mesaj gönderen düğümleri
tespit eder
Belli bir bölgeden gelen mesajları frekans
analizine tutarak anormalliklere bakar
Karantina Bölgesi Yöntemi
Karantina Bölgesinin Oluşturulması:




Spam saldırısı tespit eden baz istasyonu durumu ağa
yayınlar
Haberdar olan düğümler belirli bir süre asıllanmamış
mesaj yönlendirmezler
Asıllanmamış mesajlar için kaynağa asıllanma
isteğinde bulunurlar
Gönderenin bunu başarı ile gerçekleştirememesi
durumunda alıcı kendini karantina bölgesinde kabul
eder ve komşuları ile mesajlaşmayı asıllama yaparak
devam ettirir.
Karantina Bölgesi Yöntemi
Asıllama:



Düğümlere yüklü gizli bir anahtar bulunur
Anahtar + HMAC fonksiyonuyla elde edilen
kod mesaj başlığına eklenir
Veri tazeliğini belirlemek için başlığa bir de
sayaç eklenir
Karantinanın Kalkması:

Karantina süresince komşulardan başarısız
bir asıllama faaliyeti tespit edilmezse
karantina modundan çıkılır.
Sonuç
İşbirlikli Nesne Ağlarının donanımsal kısıtları, kablosuz iletişim
ortamı, gerçek zamanda işlem ihtiyacı, heterojen yapı, düğüm
sayısının fazlalığı, ölçeklenebilirlik ihtiyacı, gezginlik, uygulama
ortam şartlarının ağırlığı ve maliyet gibi hususlardan kaynaklanan
kendilerine özgü özellikleri, klasik bilgisayar ağları için
geliştirilmiş
güvenlik
mekanizmalarının
kullanılabilirliğini
engellemektedir.
YN ağları çok büyük bir oranda zaman-kritik ve hayati öneme
sahip uygulamalar için kullanılacaktır. Bu durum, kablosuz,
tasarsız duyarga ve tetikleyici ağlarından miras alınanlar ile yeni
tanıtılan güvenlik sorunlarının çok daha ön plana çıkmasına
neden olacaktır. Henüz teorik temellerinin oluşturulması
aşamasında bulunan bu ağların başarısında ve kabul görmesinde
en belirleyici unsurlardan biri olacak olan güvenlik konusunun da
bu temeller içerisine başlangıçtan itibaren eklenmesinin uygun
olacağı değerlendirilmektedir.
Kaynaklar
Mithat Dağlar Erdal Çayırcı, “Yardımlaşan Nesne Ağlarında Güvenlik Sorunları ve
Çözümler”, ABG 2005.
E.Cayirci, M. Dağlar, C. Çiftci “Functional and Physical Decomposition of
Cooperating Objects,” Teknik Rapor, Deniz Bilimleri ve Mühendisliği Enstitüsü,
Deniz Harp Okulu, Tuzla, Istanbul.
Chris Karlof, David Wagner, “Secure routing in wireless sensor networks: Attacks
and countermeasures”, Proceedings of the 1st IEEE International Workshop on
Sensor Network Protocols and Applications, May 11, 2003.
Erdal Cayirci, “Wireless Sensor and Actuator Networks”, IEEE Tutorial Now.