Dynamic keyring update mechanism for mobile Wireless Sensor Networks

Abstract

Telsiz Duyarga Ağları (TDA), duyarga düğümleri olarak adlandırılan küçük ve pil gücü ile çalışan cihazlardan oluşur. Duyarga düğümleri, algılama, veri işleme ve iletişim yeteneklerini kullanarak çevreyi gözlemler ve veri toplarlar. TDA'ların, askeri taramadan orman yangını tespitine kadar çok çeşitli uygulama alanları bulunmaktadır. Bu uygulamalarda duyarga düğümleri genel olarak gözetimsiz ve kontrolden uzak alanlara bırakılırlar. Bu sebeple, düğümler fiziksel anlamda ele geçirilmeye müsaittirler. Ayrıca ağdaki bağlantılar bir saldırgan tarafından kolaylıkla dinlenebilir. Bu yüzden, TDA'larda ağ güvenliğini sağlamak önemli bir sorun haline gelmiştir. TDA'larda güvenlik sorununu çözmek için bir çok ön yüklemeli anahtar dağıtım şeması önerilmiştir. Fakat, bu şemaların çoğu duyarga düğümlerinin durağan olduğunu varsayar ve Mobil Telsiz Duyarga Ağlarına (MTDA) uygulandıklarında yetersiz kalırlar. Bu tezde, MTDA'lar için Dinamik Anahtar Halkası Güncelleme (DAHG) mekanizması sunulmaktadır. Bu mekanizmanın amacı, duyarga düğümlerinin hareketleri sırasında komşularında sıklıkla bulunan anahtarları gözlemleyerek, kendi anahtar halkalarını periyodik olarak güncellemeleridir. Mekanizmamız farklı ön yüklemeli anahtar dağıtım şemaları ile birlikte kullanılabilir ve bu şemaların performansının arttırılmasına yardımcı olur. Performans değerlendirmelerinde mekanizmamız, bir rastgele ön yüklemeli anahtar dağıtım şeması, bir de konuma dayalı ön yüklemeli anahtar dağıtım şeması olmak üzere iki farklı şemayı temel alacak şekilde kullanılmıştır. Her iki ön yüklemeli anahtar dağıtım şeması için ayrıca iki farklı mobilite modeli ile analizler yapılmıştır. Değerlendirme sonuçlarımız, DAHG mekanizmasının her durumda ağdaki yerel ve genel bağlantı oranlarını arttırdığını göstermiştir. Ayrıca mekanizmamız ölçeklendirilebilir olup, ağ dayanıklılığına zarar vermez ve düşük bir ek iletişim maliyeti gerektirir.

Wireless Sensor Networks (WSNs) are composed of small, battery-powered devices called sensor nodes. Sensor nodes have sensing, processing and communication capabilities to monitor the environment and gather data. WSNs have various application areas ranging from military surveillance to forest fire detection. Security is an important issue for Wireless Sensor Networks because sensor nodes are deployed in hostile and unattended areas. Nodes are vulnerable to physical capture attacks and the attackers can easily eavesdrop on network communications. To provide security to WSNs, many key predistribution schemes have been proposed. However, most of these schemes consider the static WSNs and they perform poorly when they are applied to Mobile Wireless Sensor Networks (MWSNs). In this thesis, we propose Dynamic Keyring Update (DKRU) mechanism for MWSNs. The aim of DKRU mechanism is to enable sensor nodes to update their keyrings periodically during movement, by observing the frequent keys in their neighbors. Our mechanism can be used together with different key predistribution schemes and it helps to increase the performance of them. For performance evaluation reasons, we used our mechanism together with an existing random key predistribution scheme and a location-based key predistribution scheme. For each of these key predistribution schemes, we analyzed our mechanism using two different mobility models. Our results show that DKRU mechanism increases the local and global connectivity when it is applied to MWSNs. Moreover, our mechanism is scalable and it does not cause significant degradation in network resiliency and communication overhead.