Компьютерное моделирование протоколов безопасной киберфизической системы «умного дома»

Александр [Aleksandr] Михайлович [M.] Винников [Vinnikov]; Мария [Mariya] Александровна [A.] Дедова [Dedova]; Наталья [Natalya] Петровна [P.] Кочетова [Kochetova]; Александр [Aleksandr] Борисович [B.] Фролов [Frolov]

doi:10.24160/1993-6982-2024-4-158-168

Александр [Aleksandr] Михайлович [M.] Винников [Vinnikov]
Мария [Mariya] Александровна [A.] Дедова [Dedova]
Наталья [Natalya] Петровна [P.] Кочетова [Kochetova]
Александр [Aleksandr] Борисович [B.] Фролов [Frolov]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-4-158-168

Ключевые слова: киберфизическая система, комбинаторный блок-дизайн, схема Блома, система ключевых пространств, «Кузнечик», «Стрибог», компьютерное моделирование, технология ZigBee

Аннотация

Цель работы — подтверждение функциональности безопасной беспроводной сенсорной сети (БСС) на основе множественного ключевого пространства, отличающегося использованием различных ключевых подпространств по схеме Блома, соответствующих блокам и дуальным блокам совмещенной проективной плоскости (СПП), с эффектом масштабирования. Цель достигается методом компьютерного моделирования с имитацией исполнения протоколов ключевого и информационного обмена в БСС. Использована компьютерная модель в виде четырех программ, соответствующих маршрутизатору, доверенному центру с виртуальным спящим узлом, виртуальному роутеру, а также спящему узлу. Предполагается, что перед этапом инициализации модели в доверенном центре, а также в спящих узлах имеются предварительно распределенные ключи, и каждый спящий узел имеет ключ, соответствующий блоку СПП, и ключ, соответствующий дуальному блоку СПП, в доверенном центре имеются копии этих ключей. На этапе инициализации эти ключи используются для вычисления пароля и шифрования вычисляемых в доверенном центре различных предварительных ключей схемы Блома, которыми использованные ключи в спящих узлах заменяются по протоколу распределения предварительных ключей (инициализации). Защищенная коммутация в БСС осуществляется с использованием предварительных ключей и идентификаторов узлов. При наличии в маршруте не реализованного спящего узла его функции имитируются в доверенном центре виртуальным узлом вычислением предварительного ключа и исполнением необходимых операций по протоколу коммуникации. Компьютерным моделированием подтверждена функциональность протокола распределения предварительных ключей с использованием алгоритма «Стрибог» для формирования пароля и алгоритма «Кузнечик» для передачи предварительного ключа от доверенного центра в спящий узел с проверкой целостности. Подтверждена функциональность протокола защищенной одно-, двух- или трехшаговой коммуникации с использованием того же алгоритма на каждом шаге. Компьютерная модель может использоваться для планирования коммуникаций в БСС сложной киберфизической системы «умного дома», построенной по технологии, основанной на стандарте IEEE 802.15.4 и протоколе маршрутизации ZigBee, а также для предварительных испытаний реальной системы. Подтверждена задаваемая параметром схемы Блома безопасность коммуникаций в киберфизической системе, включающей около тысячи спящих узлов.

Сведения об авторах

Александр [Aleksandr] Михайлович [M.] Винников [Vinnikov]

магистр кафедры математического и компьютерного моделирования НИУ «МЭИ», аффилиация — ООО «СофтИнжиниринг», e-mail: al.vin@bk.ru

Мария [Mariya] Александровна [A.] Дедова [Dedova]

бакалавр кафедры математического и компьютерного моделирования НИУ «МЭИ», e-mail: mari.dedova.01@mail.ru

Наталья [Natalya] Петровна [P.] Кочетова [Kochetova]

магистр кафедры математического и компьютерного моделирования НИУ «МЭИ», e-mail: kochetovanp@mpei.ru

Александр [Aleksandr] Борисович [B.] Фролов [Frolov]

доктор технических наук, профессор кафедры математического и компьютерного моделирования НИУ «МЭИ», e-mail: frolovab@mpei.ru

Литература

1. Stinson D.R. Combinatorial Designs: Constructions and Analysis. Berlin: Springer, 2007.
2. Таранников Ю.В. Комбинаторные свойства дискретных структур и приложения к криптологии. М.: МЦНМО, 2014.
3. Barwick S., Gary Ebert G. Unitals in Projective Planes. Springer: Springer Sci. & Business Media, 2008.
4. Çamtepe S.A., Yener B. Combinatorial Design of Key Distribution Mechanisms for Wireless Sensor Networks // IEEE/ACM Trans. Networking (TON). 2004. V. 15. Pp. 293—308.
5. Lee J., Stinson D.R. On the Construction of Practical Key Predistribution Schemes for Distributed Sensor Networks Using Combinatorial Designs // ACM Trans. Inf. Syst. Secur. 2008. V. 11(1). Pp. 1—35.
6. Modiri V., Javadi H.H., Anzani M. A Novel Scalable Key Pre-distribution Scheme for Wireless Sensor Networks Based on Residual Design // Wireless Personal Communications. 2017. V. 96. Pp. 2821—2841.
7. Kumar A., Pais A.R. A New Combinatorial Design Based Key Pre-distribution Scheme for Wireless Sensor Networks // J. Ambient Intelligence and Humanized Computing. 2018. V. 10. Pp. 2401—2416.
8. Blom R. An Optimal Class of Symmetric Key Generation Systems // Advances in Cryptology: Proc. of EUROCRYPT. Lecture Notes in Computer Sci. 1985. V. 209. Pp. 335—338.
9. Du W. e. a. A Pairwise Key Predistribution Scheme for Wireless Sensor Networks // ACM Trans. Inf. Syst. Secur. 2005. V. 8. Pp. 228—258.
10. Urivskiy A. Key Predistribution Scheme Using Affine Planes and Blom’s Scheme [Электрон. ресурс] https://iitp.ru/upload/content/839/Urivskiy.pdf (дата обращения 01.02.2023).
11. Кочетова Н.П., Фролов А.Б. Масштабирование сетей и их ключевых систем на основе совмещенных комбинаторных блок-дизайнов // Информационные технологии. 2023. № 4. С. 171—182.
12. Gholami K.El., Yassine M.Y., Fatani I. F-E. The IEEE 802.15.4 Standard in Industrial Applications: a Survey // J. Theoretical and Appl. Information Technol. 2021. V. 99. No 15. Pp. 1—17.
13. Kim S.H., Chong P.K., Kim T. Performance Study of Routing Protocols in ZigBee Wireless Mesh Networks // Wireless Personal Communications. 2017. V. 95. Pp. 1829—1853.
14. Kim T. e. a. Neighbor Table-based Shortcut Tree Routing in Zigbee Wireless Networks // IEEE Trans. Parallel and Distributed Systems. 2014. V. 25(3). Pp. 706—716.
15. Gomez C., Paradells J. Wireless Home Automation Networks: а Survey of Architectures and Technologies // IEEE Communications Magazine. 2010. V. 48(6). Pp. 92—101.
16. Фролов А.Б., Кочетова Н.П. О схемах предварительного распределения ключей и ключевых пространств в беспроводных сенсорных сетях со структурой комбинаторного блок-дизайна // Вестник МЭИ. 2023. № 4. С. 162—176.
17. ГОСТ Р 34.11—2018. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Функция хеширования.
18. ГОСТ Р 34.12—2015. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Блочные шифры.
19. ГОСТ Р 34.13—2015. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Режимы работы блочных шифров.
20. Frolov A.B., Vinnikov A.M. Modeling Cryptographic Protocols Using Computer Algebra Systems // Proc. V Intern. Conf. Information Technol. in Engineering Education. 2020. Pp. 1—4.
21. SageMath — Open-Source Mathematical Software System [Офиц. сайт] https://www.sagemath.org/ (дата обращения 23.04.2023).
22. Frolov A., Vinnikov A. FSM Simulation of Cryptographic Protocols Using Algebraic Processor // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2014. V. 286. Pp. 189—198.
---
Для цитирования: Винников А.М., Дедова М.А., Кочетова Н.П., Фролов А.Б. Компьютерное моделирование протоколов безопасной киберфизической системы «умного дома» // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 158—168. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-158-168
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Stinson D.R. Combinatorial Designs: Constructions and Analysis. Berlin: Springer, 2007.
2. Tarannikov Yu.V. Kombinatornye Svoystva Diskretnykh Struktur i Prilozheniya k Kriptologii. M.: MTSNMO, 2014. (in Russian).
3. Barwick S., Gary Ebert G. Unitals in Projective Planes. Springer: Springer Sci. & Business Media, 2008.
4. Çamtepe S.A., Yener B. Combinatorial Design of Key Distribution Mechanisms for Wireless Sensor Networks. IEEE/ACM Trans. Networking (TON). 2004;15:293—308.
5. Lee J., Stinson D.R. On the Construction of Practical Key Predistribution Schemes for Distributed Sensor Networks Using Combinatorial Designs. ACM Trans. Inf. Syst. Secur. 2008;11(1):1—35.
6. Modiri V., Javadi H.H., Anzani M. A Novel Scalable Key Pre-distribution Scheme for Wireless Sensor Networks Based on Residual Design. Wireless Personal Communications. 2017;96:2821—2841.
7. Kumar A., Pais A.R. A New Combinatorial Design Based Key Pre-distribution Scheme for Wireless Sensor Networks. J. Ambient Intelligence and Humanized Computing. 2018;10:2401—2416.
8. Blom R. An Optimal Class of Symmetric Key Generation Systems. Advances in Cryptology: Proc. of EUROCRYPT. Lecture Notes in Computer Sci. 1985;209:335—338.
9. Du W. e. a. A Pairwise Key Predistribution Scheme for Wireless Sensor Networks. ACM Trans. Inf. Syst. Secur. 2005;8:228—258.
10. Urivskiy A. Key Predistribution Scheme Using Affine Planes and Blom’s Scheme [Elektron. Resurs] https://iitp.ru/upload/content/839/Urivskiy.pdf (Data Obrashcheniya 01.02.2023).
11. Kochetova N.P., Frolov A.B. Masshtabirovanie Setey i Ikh Klyuchevykh Sistem na Osnove Sovmeshchennykh Kombinatornykh Blok-dizaynov. Informatsionnye Tekhnologii. 2023;4:171—182. (in Russian).
12. Gholami K.El., Yassine M.Y., Fatani I. F-E. The IEEE 802.15.4 Standard in Industrial Applications: a Survey. J. Theoretical and Appl. Information Technol. 2021;99;15:1—17.
13. Kim S.H., Chong P.K., Kim T. Performance Study of Routing Protocols in ZigBee Wireless Mesh Networks. Wireless Personal Communications. 2017;95:1829—1853.
14. Kim T. e. a. Neighbor Table-based Shortcut Tree Routing in Zigbee Wireless Networks. IEEE Trans. Parallel and Distributed Systems. 2014;25(3):706—716.
15. Gomez C., Paradells J. Wireless Home Automation Networks: а Survey of Architectures and Technologies. IEEE Communications Magazine. 2010;48(6):92—101.
16. Frolov A.B., Kochetova N.P. O Skhemakh Predvaritel'nogo Raspredeleniya Klyuchey i Klyuchevykh Prostranstv v Besprovodnykh Sensornykh Setyakh so Strukturoy Kombinatornogo Blok-dizayna. Vestnik MEI. 2023;4:162—176. (in Russian).
17. GOST R 34.11—2018. Informatsionnaya Tekhnologiya. Kriptograficheskaya Zashchita Informatsii. Funktsiya Kheshirovaniya. (in Russian).
18. GOST R 34.12—2015. Informatsionnaya Tekhnologiya. Kriptograficheskaya Zashchita Informatsii. Blochnye Shifry. (in Russian).
19. GOST R 34.13—2015. Informatsionnaya Tekhnologiya. Kriptograficheskaya Zashchita Informatsii. Rezhimy Raboty Blochnykh Shifrov. (in Russian).
20. Frolov A.B., Vinnikov A.M. Modeling Cryptographic Protocols Using Computer Algebra Systems. Proc. V Intern. Conf. Information Technol. in Engineering Education. 2020:1—4.
21. SageMath — Open-Source Mathematical Software System [Ofits. Sayt] https://www.sagemath.org/ (Data Obrashcheniya 23.04.2023).
22. Frolov A., Vinnikov A. FSM Simulation of Cryptographic Protocols Using Algebraic Processor. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2014;286:189—198
---
For citation: Vinnikov A.M., Dedova M.A., Kochetova N.P., Frolov A.B. Computer Modeling of Protocols for a Secure Cyber-physical System of a «Smart Home». Bulletin of MPEI. 2024;4:158—168. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-158-168
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest