A Bio-Inspired Autonomous Authentication Mechanism in Mobile Ad Hoc Networks

Abstract

Ein mobiles ad-hoc-Netzwerk (MANET) ist ein infrastrukturloses, selbstkonfigurierendes Netzwerk, in dem die (Netzwerk-)Knoten das Netzwerk selbst aufbauen und in einer selbst-organisierten Art und Weise verwalten. Jeder Knoten kann ausschließlich mit den Nachbarn kommunizieren, die sich innerhalb ihrer Funkreichweite befinden. Die Abhängigkeit von Zwischenknoten und das Fehlen einer Infrastruktur stellen erhöhte Anforderungen an die Sicherheit in MANETs: Die Authentifizierung ist als grundlegender Sicherheitsservice für eine sichere Kommunikation erforderlich. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf einen autonomen Authentifizierungsmechanismus. Der Erfolg eines Authentifizierungsmechanismus oder Schlüsselmanagementsystems ist stark von der Sicherheit des Schlüssels und auch von der Sicherheit des Schlüsselaustausches abhängig. In dieser Arbeit betrachten wir das Modell von asymmetrischen, öffentlich-privaten Schlüsselpaaren als Schlüsselmanagementtechnik. Unter den verschiedenen vorgeschlagenen Authentifizierungsmechanismen für MANETs, ist das vollständig selbst-organisierte Modell besser für diese Art von Umgebung geeignet. In Authentifizierungsmechanismen wie Public Key Infrastructure (PKI), gibt es eine zentrale Autorität, welche von allen Teilnehmern im Netzwerk als vertrauenswürdig angesehen wird und für die Überprüfung der Echtheit der öffentlichen Schlüssels der Knoten verantwortlich ist. Aufgrund der Charakteristik von MANETs, wie z.B. mangelnde Infrastruktur und häufige Veränderungen der Netzwerkstruktur, ist PKI für diese Netzwerke nicht geeignet. Im selbst-organisierten öffentlichen Schlüsselmanagement, werden alle Aufgaben, einschließlich Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Widerruf von Schlüsseln lokal von den Teilnehmern selbst durchgeführt. Deshalb ist die Existenz von Angreifern, die auf die Sabotage des Authentifizierungsprozesses zielen, unvermeidbar. In dieser Hinsicht wird der Aufbau einer auf Vertrauensbeziehung zwischen den Knoten notwendig. Um die Sicherheit zu erhalten, werden auf Vertrauen basierende Mechanismen angewendet, die die Identifizierung vertrauenswürdiger bzw. nicht-vertrauenswürdiger Knoten erlauben. In unserer Arbeit entspricht das Vertrauen dem Vertrauen in die Identität. Vertrauen in die Identität bedeutet, die Identität eines Knotens sicherzustellen, d.h. zu gewährleisten das ein Knoten wirklich der ist, der er vorgibt zu sein. Jeder Knoten erzeugt sein eigenes öffentlich-privates Schlüsselpaar und stellt Zertifikate an seine benachbarten Knoten aus. Um den richtigen öffentlichen Schlüssel eines Zielknotens für die sichere Kommunikation zu finden, wird ein bedarfsorientierter Authentifizierungservice eingeführt, der die Zertifikatsketten zu einem Zielknoten erfasst. Um diesen autonomen Authentifizierungsservice aufzubauen, ist ein Lernprozess erforderlich, um zwischen vertrauenswürdigen und nicht-vertrauenswürdigen Knoten zu unterscheiden. Die kooperative und selbst-organisierte Natur der MANETs ermöglicht, dass Ameisenkolonien Optimierung (Ant Colony Optimization, kurz: ACO) sich für solche Umgebungen besonders eignet. Im Bereich der Telekommunikation wird ACO häufig für Routing-Aufgaben verwendet. ACO wird von dem dezentralisierten und gemeinschaftlichen Verhalten realer Ameisenkolonien inspiriert, die den kürzesten Weg vom Nest zu einer Futterquelle finden können. Eine flüchtige chemische Substanz namens Pheromon wird als Spur der Ameisen auf den Boden abgesondert. Diese beeinflusst anschließend die Bewegungsrichtung folgender Ameisen. Pfade mit einer höheren Pheromondichte ziehen hierbei mehr Ameisen an. Dies wiederum erhöht den Pheromongehalt dieser Pfade. Die allmähliche Identifizierung des kürzesten Pfads durch die Pheromonspuren wird als ein kollektiver Lernprozess angesehen. In unserem vorgeschlagenen selbst-organisierten und lokalisierten Mechanismus zur Authentifizierung öffentlicher Schlüssel, der auf dem Modell der Ameisenkolonie basiert, steht die Pheromonkonzentration, die von den Ameisen entlang ihrer Pfade abgesondert weden, stellvertretend für das Vertrauensniveau eines Knotens gegenüber anderen Knoten. Wie in Ameisenkolonien üblich, ist auch die Aktualisierung der Vertrauensebenen in unserem System mit einem Anreizmechanismus der Belohnung und Bestrafung verbunden. Dieser Anreizmechanismus ist anpassungsfähig gegenüber seiner Umwelt mit bösartigen Unterzeichnern von Zertifikaten des öffentlichen Schlüssels. Der Mechanismus evaluiert die Zertifikatsketten, die er über eine Anfrage, die vom Ursprungsknoten initiiert wird, um den öffentlichen Schlüssel des Bestimmumgsziels zu finden. Unser Prozess der Evaluierung der Zertifikatskette kann eine Kette, die aus bösartigen Knoten besteht, erkennen. Das vorgeschlagene Modell ist in der Lage, öffentliche Schlüssel zu authentifizieren, indem es den zuverlässigsten Weg in Zertifikatsketten, die von „Ameisen“ gesammelt werden, auswählt und somit Zertifikatketten mit bösartigen Knoten erkennen und verhindern kann. Unser Authentifizierungsmechanismus ist in der Lage, das Zertifikat des öffentlichen Schlüssels eines Ziels zu widerrufen, wenn sich bösartige Unterzeichner im Netzwerk befinden. Unser Modell hat auch die Fähigkeit, sich effizient an dynamische Umgebungen anzupassen.