Comparison of Energy-Efficient Key Management Protocols for Wireless Sensor Networks

Abstract

Bezdrátová senzorická síť (WSN) obsahuje malé senzorické uzly, které monitorují fyzikální nebo environmentální podmínky. WSN je důležitou technologií pro digitalizaci průmyslové periferie a často se používá v prostředích, jež nejsou odolná vůči bezpečnostním rizikům. Tyto sítě lze snadno napadnout kvůli nezabezpečenému komunikačnímu médiu a malým výpočetním zdrojům používaných zařízení. Bezpečnostní mechanismy jsou obtížně nastavitelné, bereme-li v úvahu nízkou spotřebu energie. Nízkonákladové senzory s omezenými zdroji ještě více komplikují implementaci kryptografických algoritmů. Pro WSN jsou potřebné kryptografické funkce bez velkého dopadu na energetickou spotřebu a latenci. Proto se stává zabezpečení WSN zajímavým předmětem výzkumu. V tomto článku porovnáváme odlehčené, energeticky úsporné protokoly pro výměnu klíčů vhodné pro WSN. Protokoly jsme také implementovali na základních deskách Texas Instruments schopných provozu ve WSN a během výměny klíčů jsme měřili energetickou spotřebu. V příspěvku ukážeme, že schémata se musejí vybírat na základě požadavků specifické sítě and že použití asymetrické kryptografie nevede vždy k vyšší spotřebě energie.

A Wireless Sensor Network (WSN) contains small sensor nodes which monitor physical or environmental conditions. WSN is an important technology for digitalization of industrial periphery and is often used in environments which are not hardened against security impacts. These networks are easy to attack due to the open communication medium and low computing resources of the applied devices. Establishing security mechanisms is difficult while taking into account low energy consumption. Low cost sensors with limited resources make the implementation of cryptographic algorithms even more challenging. For WSNs cryptographic functions are needed without high impact on energy consumption and latency. Therefore, security in WSNs is a challenging field of research. This paper compares lightweight energy-efficient key exchange protocols which are suitable for WSN. The protocols were also implemented in WSN-capable Texas Instrument boards and the energy consumption was measured during the key exchange. This paper shows that schemes have to be chosen depending on the specific network requirements and that the usage of asymmetric cryptography does not always result in a high energy consumption.