TY - THES A1 - Sojka-Piotrowska, Anna T1 - On the applicability of short key asymmetric cryptography in low power wireless sensor networks T1 - Über die Anwendbarkeit asymmetrischer Kryptographie mit kurzen Schlüsseln in drahtlosen Sensornetzwerken N2 - The growing popularity of Wireless Sensor Networks (WSN) makes the spectrum of their applications very wide. A great number of the application areas like health monitoring or military applications require a high level of security and dependability from the wireless sensor network. Solving these issues can be supported by providing cryptographic solutions into WSN applications. Since the WSNs mainly consist of low power devices, cryptographic solutions ideal for WSNs should provide computationally lightweight security mechanisms producing small data packets and ensuring confidentiality. Cryptographic mechanisms that have both these features are considered in this thesis, which main objective is the analysis of the applicability of the short key elliptic curve cryptography in WSN environments. Reduced key lengths require modification of the standard ECC security algorithms to provide authentication and also a novel solution for a cryptographic secure pseudo-random number generator. The proposed solution is based on the standard ECC, but it differs in several aspects. The main difference is that the parameters of the used elliptic curve have to be kept secret. This is due to the fact that solving the Discreet Logarithm Problem (DLP) for such short parameters can be done in short time. Additionally, using shorter parameters for the underlying elliptic curves excludes also the use of standard hash functions, what mainly influences the mechanisms for generating the digital signature. Hash functions require large input values and produce relatively large output data that is inapplicable in the shortECC environment. Thus, within this thesis a modified version of standard Elliptic Curves Digital Signature Algorithm is proposed, which does not require any hash function. The shortECC needs pseudo-random numbers in the encryption and the digital signature protocols, but since it operates on numbers that are significantly shorter than the ones used by other cryptographic approaches, pseudo-random number generators for standard approaches are not suitable for shortECC. Thus, the new pseudo-random number generator not involving any additional hardware besides the modules available on the used test platform and operating on 32-bit long integers, is proposed. The randomness of the numbers generated by the proposed algorithm and their applicability for cryptographic purposes was evaluated using the NIST test suites. The shortECC approach was also subjected to cryptanalysis in order to proof its security and determine the circumstances and constraints for its application. N2 - Die große Popularität drahtloser Sensornetzwerke ist vor allem auf deren großes Anwendungsspektrum zurückzuführen. Viele Anwendungsbereiche wie die Telemedizin zur Patientenüberwachung oder auch Anwendungen für das Militär haben jedoch sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit solcher drahtlosen Netzwerke. Kryptographische Verfahren können helfen diese Anforderungen zu erfüllen. Drahtlose Sensornetzwerke bestehen allerdings oft aus energielimitierten Geräten. Entsprechend sind kryptographische Verfahren gefordert, die den Anforderungen an eine hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit bei niedrigem Energieverbrauch genügen, d.h. leichtgewichtige kryptografische Operationen sowie die Übertragung kleiner Datenmengen. Der Fokus dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt auf der Untersuchung von Ansätzen, die beiden Eigenschaften erfüllen. Hauptziel dabei ist die Analyse der Anwendbarkeit kryptografischer Verfahren in drahtlosen Sensornetzwerken, die auf elliptischen Kurven mit kurzen Schlüsseln basieren (shortECC).Verkürzte Schlüssellängen erfordern dabei Modifikationen der Standardalgorithmen für Kryptografie mit Elliptischen Kurven (Elliptic Curve Cryprography – ECC), um Authentifikation zu gewährleisten sowie auch eine neue Lösung für den kryptografischen Pseudozufallszahlengenerator bereitzustellen. Die vorgeschlagene Lösung (shortECC) basiert auf dem Standard ECC, unterscheidet sich aber in einigen wesentlichen Aspekten: Der Hauptunterschied liegt in der Geheimhaltung verschiedener Parameter, die im Standard ECC in der öffentlichen Domäne vorkommen. Das ist vor allem dadurch begründet, dass die Lösung des diskreten mit solchen kurzen Schlüsseln für den Standard ECC sehr einfach wäre. Zudem schließt für die vorgesehene Schlüssellänge von 32-bit beziehungsweise 64-bit die Verwendung der Standard Hash-Funktionen aus. Hash-Funktionen nehmen große Daten als Eingang und produzieren Werte, die für den Einsatz in der shortECC Umgebung zu groß sind. Dies beeinflusst hauptsächlich die Algorithmen für die Generierung von Digitalen Signaturen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Algorithmus vorgestellt und evaluiert, der keine Hash-Funktion erfordert. Bei den shortECC Algorithmen werden Zufallszahlen für die Verschlüsselung und das Generieren einer Digitalen Signatur benutzt. Da aber die Standardansätze von kryptografischen Zufallszahlgeneratoren für die kurzen Zahlen nicht immer geeignet sind, wurde eine neue und sehr effiziente Lösung für einen sicheren Pseudozufallszahlengenerator vorgestellt und evaluiert. Der vorgeschlagene Generator verwendet keine zusätzliche Hardwaremodule, kann aber verschiedene Hardwaremodule zum Initialisieren nutzen. Die Qualität der generierten Zufallszahlen für kryptografische Zwecke wurde mit der NIST Test Suite mit einem sehr positiven Ergebnis evaluiert. Der vorgeschlagene shortECC-Ansatz wurde auch mit kryptoanalytischen Methoden untersucht, um die angebotene Sicherheit aber auch die Schwachpunkte und Umstände, in welchen diese entstehen, zu ermitteln. KW - ECC KW - Sensor Networks KW - PRNG KW - Lightweight cryptography KW - Elliptische Kurven KW - Drahtlose Sensornetze KW - Zufallszahl Generator KW - Drahtloses Sensorsystem KW - Zufallsgenerator Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-39453 ER - TY - THES A1 - Ortmann, Steffen T1 - Definition and configuration of reliable event detection for application in wireless sensor networks T1 - Definition und Konfiguration zuverlässiger Ereigniserkennung zur Anwendung in drahtlosen Sensornetzen N2 - Ubiquitous systems based on wireless sensor networks will amazingly increase our quality of life. These systems are to be deployed in large areas with high density where hundreds or thousands of nodes are used. Certainly that demands to use low cost devices with limited resources, which in turn are prone to faulty behaviour. This work introduces a novel concept for wireless sensor network configuration considering fault tolerance, energy efficiency and convenience as primary goals while being tailored to user needs. It allows to ignore low-level details like node resources, network structures, node availability etc. and enables the programmer to work on a high abstraction level, namely the event itself including event related constraints. The definition of events characterising real world phenomena is of prominent use in sensor networks. The presented concept autonomously configures and monitors events, even if it requires to organise collaboration between nodes to deliver the results. The contribution of this work is threefold. An intuitive XML-based ESL simplifies event configuration to a level that is even suitable for non-professionals. It features hardware independent description elements to define complex phenomena and enhances these by tailor-made voting schemes and application constraints. Based on that, a novel, fully decentralised mechanism to autonomously set up distributed event detection called EDT and a cost efficient means to maintain such EDT, are presented. EDTs can be efficiently constructed on every device by using a tiny generating finite state machine requiring eight states only. It enables every node to self-divide event queries according to its own resources and self-adapt to the tasks assigned. Simultaneously, the EDT provides the interface for efficient collaboration using a lease-based publish/subscribe approach. The simulations clearly show that this concept works well and the applied collaboration scheme outperforms even idealised acknowledgement-based approaches. On top of the EDT, a means is developed that enhances the reliability of detection beyond the scope of Boolean event decision. It examines behavioural trends in sensor readings to indicate the significance of actual measurements in relation to the configured event. Measured data is investigated in detail to finally attach a significance indicator "is" to each event. This automatically generated indicator shall support users or overlaying systems in decision-making. In the example scenario based on data of real test cases, the "is" indicates a flaming fire 88 seconds and a smouldering fire 48 seconds before the threshold-based method triggers the alarm. N2 - Drahtlose Sensornetze stellen eine Informationstechnologie dar, deren ubiquitäre Verwendung unsere zukünftige Lebensweise entscheidend beeinflussen und verbessern kann. Der massenhafte Einsatz solcher Systeme bedingt strengste Einschränkungen in Kosten und Ressourcen und führt damit zu einer verringerten Zuverlässigkeit der einzelnen Sensorknoten und des gesamten Sensornetzes. Diese Arbeit führt ein neuartiges Konzept zur Konfiguration von drahtlosen Sensornetzen ein. Die Schwerpunkte liegen dabei auf Fehlertoleranz und Energieeffizienz unter besonderer Berücksichtigung von Verbraucherfreundlichkeit und Komplexität. Es erlaubt dem Nutzer auf einem hohen Abstraktionsniveau zu arbeiten, ohne niedrigstufige Details wie Sensor-Ressourcen, Netzwerkstrukturen, Verfügbarkeit der Knoten usw. beachten zu müssen. Die Beschreibung physikalischer Phänomene als Events findet breite Anwendung bei der Programmierung von Sensornetzen. Das vorgestellte Konzept konfiguriert und beobachtet einmalig definierte Events vollautomatisch, auch wenn dazu kooperative Beziehungen zwischen verschiedenen Sensorknoten notwendig sind. Die Arbeit besteht aus 3 Hauptteilen. Eine intuitive auf XML basierende Sprache zur Definition von Events vereinfacht die Konfiguration der Sensornetze auf ein Niveau, das auch für konventionelle Nutzer angemessen ist. Es besitzt hardware-unabhängige Elemente zur Definition von komplexen Phänomenen (Events) und erweitert diese durch maßgeschneiderte Verfahren zum Mehrheitsentscheid (Voting) und verfeinerte Ausführungsbedingungen. Darauf aufbauend wird ein neuartiger, komplett dezentraler Mechanismus zur autonomen verteilten Event Erkennung, genannt Event Entscheidungsbaum (EDT), vorgestellt. EDTs werden auf sehr effiziente Weise auch auf kleinsten Geräten durch einen generierenden endlichen Automaten mit lediglich acht Zuständen erstellt und verwaltet. Der EDT ermöglicht es jedem Sensorknoten, sich auf Grundlage seiner verfügbaren Ressourcen die übermittelten Aufgaben selbstständig einzuteilen und zu konfigurieren. Gleichzeitig bildet er die Schnittstelle für effiziente Zusammenarbeit zwischen mehreren Knoten mittels eines Lease-basierten Publish/Subscribe Verfahrens. Die Aufwandsschätzungen und Simulationen zeigen deutlich, dass dieses Verfahren sehr effizient arbeitet und sogar idealisierte auf Bestätigungen (Acknowledgements) basierende Verfahren deklassiert. Zusätzlich wurde ein Verfahren entwickelt und getestet, das die Zuverlässigkeit in der Erkennung von Events über die üblichen, auf Schwellwerten basierenden, Methoden hinaus steigern kann. Es untersucht den Trend vergangener Messwerte um die Relevanz aktueller Messwerte in Relation zum Event zu ermitteln. Daraus ergibt sich ein Indikator für die Signifikanz des Messwerts ("is"). Dieser automatisch generierbare Indikator soll Nutzer oder höherrangige Systeme bei Entscheidungen und weiteren Aktionen unterstützen. In der vorgestellten Beispielanwendung, die auf Daten aus realen Testläufen basiert, indiziert "is" ein flammendes Feuer 88 Sekunden und einen Schwelbrand 48 Sekunden vor den auf Schwellwerten basierten Methoden, die erst entsprechend später einen Alarm auslösen. KW - Drahtloses Sensorsystem KW - Zuverlässigkeit KW - Zuverlässigkeit KW - Ereigniserkennung KW - Verbraucherfreundlichkeit KW - Drahtlose Sensornetze KW - Reliability KW - Event detection KW - Usability KW - Wireless Sensor Networks Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-19602 SN - 978-3-8322-9445-8 ER - TY - THES A1 - Piotrowski, Krzysztof T1 - Assessment of the feasibility of distributed shared memory and data consistency for wireless sensor networks T1 - Die Abschätzung der Machbarkeit von verteilten gemeinsamen Speicher und Datenkonsistenz für Drahtlose Sensornetzwerke N2 - Wireless sensor networks (WSNs) are built of cheap, resource constraint devices, capable to collect process and communicate data. WSN applications depend on the data they collect. In other words, the applications require the data to be available, even if some WSN nodes fail. The challenge is that nodes are prone to fail and todays WSNs do not provide highly reliable data storage. Thus, the quality of the service provided by the system, regarding the data handling, is one of the most important factors. Data replication increases the availability of the data and thus, the robustness and quality of the data storage. But the existence of several copies of data items in the WSN induces the data consistency to become of high importance in order to ensure proper behavior of the application. This work investigates the feasibility of data consistency models used in distributed shared memory in WSNs to provide more powerful distributed systems with reliable data exchange. As a starting point WSNs and consistency approaches are introduced. Based on those basics, the mechanisms needed to allow for data consistency are discussed as a theoretical framework for the prototypical implementation of a data consistency providing middleware, which was implemented as part of this work. The middleware adapts the mechanisms known from original memory consistency approaches to be usable in the sensor network area and proposes own, low cost mechanisms, as well. The latter are at least partially based on the idea that within the shared memory of WSNs information is the major concern and that by that the replica update rates can be tailored to the application. In order to allow for ease of use of the middleware the replication schemes and consistency mechanisms can be defined by the application engineer as a policy. The latter is transformed and injected into the middleware code by a pre-compiler, so that the application engineer no longer needs to implement replication and consistency mechanisms herself. The most appropriate memory consistency models are implemented and evaluated using the framework proposed in this thesis. N2 - Drahtlose Sensornetze (wireless sensor networks, WSN) bestehen aus kostengünstigen, ressourcenbeschränkten Sensorknoten, die zum Sammeln, Verarbeiten und Kommunizieren von Daten geeignet sind. Die Anwendungen drahtloser Sensornetze hängen stark von den zu sammelnden Daten ab. D.h. die Daten müssen im Falle eines möglichen Ausfalls eines einzelnen Sensorknotens trotzdem zur Verfügung stehen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Knoten fehleranfällig sind und heutige WSN keinen hochverlässigen Datenspeicher zur Verfügung stellen. Somit ist die vom System bereitgestellte Servicequalität bezüglich der Datenbearbeitung einer der wichtigsten Faktoren. Die Replikation der Daten erhöht die Datenverfügbarkeit und damit die Robustheit und Qualität der Datenspeicherung. In WSN existieren mehrere Kopien einzelner Daten, die dazu führen, dass die Konsistenz der Daten von enormer Wichtigkeit ist, um das gewünschte Verhalten der Applikation zu gewährleisten. Diese Arbeit untersucht die Machbarkeit von Modellen bezüglich Datenkonsistenz, welche in verteiltem gemeinsamen Speicher in drahtlosen Sensornetzen verwendet werden, um leistungsstärkere verteilte Systeme mit einem zuverlässigen Datenaustausch bereitzustellen. Zu Beginn werden der Begriff drahtlose Sensornetze und die verschiedenen Konsistenzansätze vorgestellt. Basierend auf diesen Grundlagen werden die Mechanismen, welche zur Datenkonsistenz benötigt werden, vorgestellt und diskutiert. Diese Diskussion dient als theoretischer Rahmen zur prototypischen Implementierung von Datenkonsistenz, die Middleware zur Verfügung stellt. Die Middleware wurde als Teil dieser Arbeit implementiert. Die Middleware adaptiert Mechanismen, bekannt aus den Ansätzen zur Speicherkonsistenz, um sie im Sensornetzbereich nutzbar zu machen und schlägt zusätzlich eigene kostengünstige Mechanismen vor. Letztere basieren zumindest teilweise auf der Idee, dass innerhalb des gemeinsamen Speichers von WSN Nachrichten der Hauptbezugspunkt sind. Die Aktualisierungsraten der replizierten Daten können auf die Anwendung zugeschnitten werden. Um Nutzerfreundlichkeit der Middleware zu erreichen, können die Replikationsschemata und Konsistenzmechanismen vom Anwendungsentwickler als Policy definiert werden. Letzteres wird transformiert und durch einen Pre-Kompiler in den Code der Middleware eingefügt, so dass der Anwendungsentwickler nicht länger Replikations- und Konsistenzmechanismen selbst implementieren muss. Die geeignetsten Speicherkonsistenzmodelle werden unter Nutzung des in dieser Arbeit vorgestellten Frameworks implementiert und evaluiert. KW - Verteiltes System KW - Drahtloses Sensorsystem KW - Verteilter gemeinsamer Speicher KW - Drahtlose Sensornetze KW - Datenkonsistenz KW - Distributed shared memory KW - Wireless sensor networks KW - Data consistency Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23718 ER -