Development of a security protecting watermarking system using side-channels in LoRaWAN

Abstract

Low Power Wide Area Networks (LPWANs) wie LoRaWAN werden verwendet, um eine Verbindung zwischen einer Vielzahl an Sensorknoten drahtlos und energiesparend aufzubauen. Solche Netzwerke werden auch Wireless Sensor Networks (WSNs) genannt und sind ein Teilaspekt des Internet of Things (IoT). Durch die energiesparende Eigenschaft dieser Netze sind die Endgeräte die meiste Zeit in einem energiesparenden Schlafmodus, der im Falle eines Events, wie ein periodischer Alarm, unterbrochen wird. Anschließend wird eine Messung durchgeführt und eine Nachricht über das LPWAN versendet, um danach wieder in den Energiesparmodus zu wechseln. LPWANs sind auch in der Lage eine Kommunikation über weite Strecken zu ermöglichen, diese Weitläufigkeit bietet potenziellen Angreifern die Möglichkeit, die Sensorknoten physisch zu manipulieren, ohne währenddessen entdeckt zu werden. Diese Arbeit präsentiert eine neuartige Methode wie ein ’Side-Channel’ verwendet werden kann, um sicherheitsrelevante Information zu übertragen und dadurch die Sicherheit in WSNs zu verbessern, ohne die energieintensive Sendezeit zu erhöhen. Es wird ein System entwickelt, das bis zu 8 Bits pro Nachricht durch Veränderung der zeitlichen Abstände zwischen Paketen (Inter-Packet Delay (IPD)) codiert, und so die Information in einem Seitenkanal des Nutzsignals überträgt. Weiters wird experimentell nachgewiesen, dass die Modulation in der Lage ist, mit Standardkomponenten und auch unter Feldbedingungen zu arbeiten. Attacken wie zum Beispiel Bit Flipping, bei denen aktiv die Signalübertragung beeinflusst wird, können mit der präsentierten Methode verhindert werden. Das Ergebnis dieser Arbeit kann dazu verwendet werden, die Sicherheit und besonders die Integrität der Nutzdaten in LPWANs zu verbessern, ohne den Kommunikationskanal spürbar zu beeinflussen.

Low Power Wide Area Networks (LPWANs), like LoRaWAN, aim to wirelessly connect a multitude of sensor nodes in an energy-efficient way. These, also called Wireless Sensor Networks (WSNs), are a building block of the Internet of Things (IoT). The low power aspect of such networks implies energy efficiency at the sensor nodes, for which the devices will mainly be in a hibernation state. Events, like a periodic timer, shortly interrupt the sleep state and trigger a message to be sent using the LPWAN. Furthermore, LPWANs impose specific security challenges like attackers that may have physical access to sensor nodes while remaining undetected as a huge spatial area is covered. This thesis presents a multi-bit side-channel modulation technique combined with digital watermarking, which enhances the security in WSNs without additional on-air time. A system is introduced which can embed up to 8 bits of an integrity-protecting watermark into the Inter-Packet Delay (IPD) of subsequent messages. Experiments prove the suitability of the modulation using Commercial of the Shelf (COTS) devices. By keenly analysing the security aspects, it is revealed that the novel concept improves security by mitigating specific attacks, including bit flipping at the sensor node itself. The presented technique contributes to existing and upcoming LPWANs by enhancing protocol security while being transparent to the primary communication channel under certain restrictions.