Detecting and Mitigating Malicious Behavior in Vehicular DTNs

Guo, Yinghui

In Netzwerken mit zeitweisen Unterbrechungen oder langen Verzögerungen sind Delay- and Disruption-Tolerant Networks (DTNs) eine geeignete Technologie für viele Anwendungen. Die Konnektivität in Fahrzeugnetzen ist bedingt durch die hohe Mobilität und die geringe Verbreitung von netzwerkfähigen Fahrzeugen oft instabil. Bis zur flächendeckenden Verbreitung von netzwerkfähigen Fahrzeugen ist es daher zwingend notwendig auf Methoden des Delay Tolerant Networking zurückzugreifen um die bestmögliche Kommunikation zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird von Vehicular Delay Tolerant Networks (VDTNs) gesprochen. Durch das Store-Carry-Forward-Prinzip kann ein VDTN Kommunikation für Anwendungen ermöglichen. Allerdings ist davon auszugehen, dass sich nicht alle Fahrzeuge altruistisch verhalten: Angreifer können Fahrzeuge übernehmen und das Netzwerk attackieren oder Knoten sind aus egoistischen Motiven oder auf Grund von Defekten unkooperativ. Verfahren, die Fehlverhalten in stabilen Netzen durch direkte Beobachtung erkennen können, sind in VDTNs nicht anwendbar. Daher sind Methoden, die Fehlverhalten in VDTNs nachweisen können, zwingend erforderlich. In dieser Arbeit werden zwei Klassen von Misbehavior Detection Systems (MDSs) vorgestellt. Beide Systeme basieren auf Encounter Records (ERs): Nach einem Kontakt tauschen zwei Knoten kryptografisch signierte Meta-Informationen zu den erfolgten Datentransfers aus. Diese ERs dienen bei darauffolgenden Kontakten mit anderen Netzwerkteilnehmern als vertrauenswürdiger Nachweis für das Verhalten eines Knotens in der Vergangenheit. Basierend auf der Auswertung gesammelter ERs wird ein Reputationssystem entwickelt, das kooperatives Verhalten belohnt und unkooperatives Verhalten bestraft. Dauerhaft unkooperative Knoten werden aus dem Netzwerk ausgeschlossen. Durch den asynchronen Austausch von Informationen kann jeder Knoten das Verhalten seiner Nachbarn selbstständig und unabhängig evaluieren. Dadurch sind die vorgestellten MDS-Varianten sehr gut für den Einsatz in einem VDTN geeignet. Durch umfangreiche Evaluationen wird gezeigt, dass sich die entwickelten MDS-Verfahren für verschiedene Routingprotokolle und in unterschiedlichen Szenarien anwenden lassen. In allen Fällen ist das MDS in der Lage das System mit geringem Overhead gegen Angreifer zu verteidigen und eine hohe Servicequalität im Netzwerk zu gewährleisten.

Delay- and Disruption-Tolerant Networks (DTNs) are a suitable technology for many applications when the network suffers from intermittent connections and significant delays. In current vehicular networks, due to the high mobility of vehicles, the connectivity in vehicular networks can be highly unstable, links may change or break soon after they have been established and the network topology varies significantly depending on time and location. When the density of networked vehicles is low, connectivity is intermittent and with only a few transmission opportunities. This makes forwarding packets very difficult. For the next years, until a high penetration of networked vehicles is realized, delay-tolerant methods are a necessity in vehicular networks, leading to Vehicular DTNs (VDTNs). By implementing a store-carry-forward paradigm, VDTNs can make sure that even under difficult conditions, the network can be used by applications. However, we cannot assume that all vehicles are altruistic in VDTNs. Attackers can penetrate the communication systems of vehicles trying their best to destroy the network. Especially if multiple attackers collude to disrupt the network, the characteristics of VDTNs, without continuous connectivity, make most traditional strategies of detecting attackers infeasible. Additionally, selfish nodes may be reluctant to cooperate considering their profit, and due to hard- or software errors some vehicles cannot send or forward data. Hence, efficient mechanisms to detect malicious nodes in VDTNs are imperative. In this thesis, two classes of Misbehavior Detection Systems (MDSs) are proposed to defend VDTNs against malicious nodes. Both MDSs use encounter records (ERs) as proof to document nodes' behavior during previous contacts. By collecting and securely exchanging ERs, depending on different strategies in different classes of MDSs, a reputation system is built in order to punish bad behavior while encouraging cooperative behavior in the network. With independently operating nodes and asynchronous exchange of observations through ERs, both systems are very well suited for VDTNs, where there will be no continuous, ubiquitous network in the foreseeable future. By evaluating our methods through extensive simulations using different DTN routing protocols and different realistic scenarios, we find that both MDS classes are able to efficiently protect the system with low overhead and prevent malicious nodes from further disrupting the network.

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Guo, Yinghui: Detecting and Mitigating Malicious Behavior in Vehicular DTNs. 2014.

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