Information model and security concept for distributed traffic management applications based on wireless systems

Abstract

Moderne Verkehrsleitsysteme steuern das steigendene Verkehrsaufkommen und optimieren den Verkehrsfluss. Sie unterscheiden sich in ihrer Funktionalität und der Anzahl ihrer Komponenten. So können etwa mehrere Wechselverkehrszeichen mithilfe von Radar-Detektoren gesteuert werden. Moderne Verkehrsleitsysteme besitzen im Allgemeinen eine hierarchische Struktur. Während die höheren Ebenen Daten von darunterliegenden Ebenen sammeln und den Operatoren zur globalen Verkehrsüberwachung und -steuerung zur Verfügung stellen sind die unteren Ebenen für die autonome Steuerung sowie die Erfassung von Vehrkehrs- und Umweltdaten zuständig. In der untersten Ebene der Hierarchie, der sogenannten Feldebene, finden sich Sensoren (z.B.<br />Induktivschleifendetektoren, Temperatursensoren) und Aktoren (z.B.<br />Ampeln, Wechselverkehrszeichen) von einer Vielzahl an Herstellern. Diese sind über Ein-/Ausgabe-Konzentratoren mit der sogenannten Streckenstation verbunden. In den meisten Fällen verwenden Sensoren und Aktoren herstellerspezifische Kommunikationsprotokolle. Daher müssen E/A-Konzentratoren Nachrichten zwischen herstellerspezifischen Protokollen und standardisierten Protokollen der darüberliegenden Ebenen konvertieren. Drahtlose Sensor- und Aktor-Netzwerke bestehen häufig aus einer Vielzahl von unterschiedlichsten Sensoren bzw. Aktoren die einen physikalischen Prozess überwachen bzw. steuern. Aufgrund der großen Anzahl an Sensoren, die oftmals benötigt werden um Prozessdaten zu sammeln, sollen diese möglichst klein und kostengünstig sein. Diese Anforderungen führen in weiterer Folge dazu, dass die eingesetzten Sensoren typischerweise batteriebetrieben sind und nur über eine stark eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Es ist leicht ersichtlich, dass der Bedarf an Sicherheit im Gegensatz zu den zuvor genannten Eigenschaften von drahtlosen Sensor-Netzwerken steht. Die größten Herausforderungen im Bezug auf Sicherheit in drahtlosen Sensor- und Aktor-Netzwerken sind die stark eingeschränkten Ressourcen, die Netzwerkgröße, die Dynamik eines Sensor- und Aktor-Netzwerkes und nicht zuletzt die Charakteristik von drahtloser Datenübertragung selbst.<br />Die vorliegende Arbeit verfolgt zwei Ziele. Einerseits soll ein generisches Informationsmodell für Sensoren und Aktoren aus dem Verkehrswesen entwickelt werden. Anhand dieses Informationsmodells kann ein Kommunikationsprotokoll für drahtlose Datenbertragung spezifiziert werden, welches den zentralistischen Ansatz auf der Feldebene moderner Verkehrsleitsysteme durch ein verteiltes Netzwerk von autonom interagierenden Sensoren und Aktoren ersetzen könnte. Weiters wird zur Evaluierung des Informationsmodells ein Prototyp einer Stauwarnanlage vorgestellt. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Sicherheitskonzepts für verteilte Applikationen in der Verkehrstelematik. Im Zuge dessen wird ein neuartiges Verfahren zur Broadcast-Authentifizierung vorgestellt und im Detail analysiert.

Modern traffic management systems are widely used to control the increasing traffic and to optimize the traffic flow in urban and interurban environments. They can differ in the functionality and number of components involved. For instance, in an interurban environment numerous variable message signs can be controlled based on data coming from radar detectors. In general, modern traffic management systems follow a hierarchical structure. While higher levels collect data from lower levels and provide them to human operators for global traffic monitoring and control, lower levels are responsible for autonomous control as well as traffic and environmental data acquisition. At the lowest level of the hierarchy, i.e., the field level, sensors (e.g.<br />detector loops, temperature sensors) and actuators (e.g. traffic lights, variable message signs) from various vendors are connected to local control units by so called I/O convertors. Since in most cases sensors and actuators use vendor specific protocols for communication, I/O convertors are responsible for translating messages from the standardized higher level communication protocol to a vendor specific protocol and vice versa. However, higher level communication protocols are only regional restricted (de-facto) standards. Thus, extending them onto the field level would not yield a satisfying solution especially for vendors.<br />Wireless sensor and actuator networks typically consist of many different types of sensors and actuators controlling some physical process. Due to the large number of nodes gathering process data, the nodes of a wireless sensor network are required to be small and low-cost. This in turn leads to limited processing capabilities and the need for low power consumption. However, the need for security contradicts the need for low-cost sensor nodes. The main security challenges in wireless sensor networks are limited resources, large-scale networks, dynamical network topologies and last but not least wireless communication characteristics.<br />This thesis is twofold. On the one hand it aims at developing a generic information model for sensors and actuators applied in the traffic domain. The information model in combination with wireless data communication allows to replace the centralized approach at the field level of today's traffic management systems with a distributed network of autonomously cooperating sensors and actuators. To evaluate the information model, a proof-of-concept implementation of a traffic jam warning system is presented. The second goal of this thesis is the development of a security concept for distributed traffic management applications based on wireless communication systems. Within the scope of the security concept, a novel broadcast authentication scheme for wireless sensor and actuator networks is proposed and analyzed in detail.