Sieci VLC i ich bezpieczeństwo Dr inż. Grzegorz Blinowski, g.blinowski@ii.pw.edu.pl Instytut Informatyki Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska
Trochę historii - Photophone A.G. Bell 1880 Transmisja: o.k. 30 m A. Bell uznawał Photophone za swój największy wynalazek - "the greatest invention I have ever made, greater than the telephone"
Co to jest VLC Visual Light Communication Transmisja danych z użyciem światła widzialnego w otwartej przestrzeni Światło widzialne: 400-800 THz, 780-375 nm Nie wykorzystujemy światłowodów ani żadnego specjalnego medium transmisyjnego Podzbiór OWC (Opticall Wireless Communication) wykorzystującej także pasmo UV i podczerwień Nie mylić z FSO (Free Space Optical) nazwa zwyczajowo zarezerwowana dla silnie ukierunkowanej komunikacji wykorzystującej lasery
Źródło: Wikipedia
VLC - atrybuty Otwarta przestrzeń Pomieszczenia zamknięte (dom, biura, ciągi komunikacyjne) Teren VANET komunikacja między pojazdami oraz między pojazdem a infrastrukturą Komunikacja podwodna
Dlaczego VLC? Rozpowszechnienie się tanich i wydajnych źródeł swiatła LED Oszczędności energii związane z powszechnym wprowadzeniem LED są kolosalne: Korea Pd.: zużycie energii: 78 TWh / rok 0% - oświetlenie: 55 Twh 50% oszczędności dzięki LED daje 7 TWh = 3 elektrownie jądrowe, mld USD / rok Przy okazji źródło światła można wykorzystać do transmisji danych
Dlaczego VLC? Zalety Ergonomia - Oświetlenie LED jest komfortowe i estetyczne Kwestie zdrowotne jest całkowicie nieszkodliwe Kwestie formalno-prawne pasmo nieregulowane Kwestie bezpieczeństwa środowiska samoloty, technika kosmiczna, szpitale,... Bezpieczeństwo transmisji - What You See Is What You Send (Really?!?!)
źródło: Outstanding Technology 014
Składniki systemu VLC Nadajnik: jedna lub więcej LED (biała lub kolorowa/rgb) Odbiornik: foto-element lub ich zespół (obrazujący lub nie obrazujący) Medium transmisji VLC może być dedykowane lub zintegrowane z oświetleniem pomieszczeń/przestrzeni VLC ID kit / CP-11, CP-1, Nakagawa / Keio 01
Nadajnik (źródło światła) Dioda biała niebieska LED + żółty luminofor Dioda biała RGB ( triplet ) Diody kolorowe Światło białe Żółty luminofor Niebieska LED
Nadajnik - c.d. Pasmo modulacji ograniczone do -3 MHz Filtrowanie niebieskiego skaładnika w odbiorniku pozwala na wykorzystanie pasma do 0MHz Pasmo (1LED): 40 Mbps; do 100 Mbps przy prostej equalizacji w.g. D. O'Brien, Oxford, 011
Odbiornik Prosty fotoelement CMOS Pasmo nie jest ograniczone po stronie odbiornika (100MHz +) Aby ograniczyć wpływ zniekształceń wynikających z ograniczenia pasma nadajnika stosuje się equalizację po stronie odbiornika Dalsze zwiększenie pasma: modulacja OFDM, odbiorniki obrazujące, stosowanie technik typu MIMO w.g. Le Minh, H., et al., 100-Mb/s NRZ Visible Light Communications Using a Postequalized White LED. Ieee Photonics Technology Letters, 009.
Medium, tryby komunikacji T Kierunkowy R T R R T R Hybrydowy R T R Niekierunkowy T T LoS (Line-of-Sight) NloS (Non Line-of-Sight)
Przykłady zastosowań
Przykłady zastosowań
Przykłady zastosowań Smart Lighting Systemy multimedialnej transmisji domowej HANs - Home Area Networks domowe łącza ~1Gbps, zapewnienie wydajnej łaczności dla urządzeń domowych (głównie AV) Systemy rozrywki (video/audio) w samolotach Systemy wideo-konferencyjne Systemy WLAN ogólnego przeznaczenia Systemy geolokalizacyjne wg. "Gigabit Optical Wireless for a Home Access Network", D. O'Brien, et. Al, 011 ; OMEGA Project
Standardy, IEEE 80.15.7 IEEE 80.15.7 Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light zatwierdzony 9/011 Opisano warstwy PHY oraz MAC Standard określa: realizację i interfejsy PHY i MAC bezpieczeństwa w warstwie MAC Standard nie określa (w kontekście np. BT i innych sieci bezprzewodowych): protokołów aplikacyjnych lub wsparcia dla nich mechanizmów wymiany i zarządzania kluczami
80.15.7 - PHY Tryby PHY: Dopuszczalne struktury sieci VPAN (topologie MAC) Standard wyróżnia 3 typy urządzeń: Infrastructure Mobile Vehicle w praktyce rozróżniamy jeszcze: Mobile (smartfon) / Fixed (TV) PHY I outdoor, 11.67 Kb/s 66 Kb/s PHY II indoor, 1. Mb/s 96 Mb/s PHY III indoor, CSK (Color shift keying), 1 Mb/s 96 Mb/s
80.15.7 - MAC Struktura ramki IEEE 80.15.7 Adresy są: długie (64 b.) lub krótkie (16 b.) Adresy długie odpowiadają adresom MAC z innych znanych standardów Adresy krótkie są przyznawane przez koordynatora poza standardem w ramach zestawiania sieci VPAN Dla przypomnienia - Struktura ramki IEEE 80.11 (WiFi)
Bezpieczeństwo - założenia Urządzenia VLC mogą dysponować b. skromnymi zasobami: mocy obliczeniowej, pamięci, mogą być też silnie ograniczone energetycznie co ogranicza np. stosowanie silniejszych odmian kryptografii Charakter komunikacji może być krótkotrwały (ulotny) co ogranicza możliwośc zbudowania bardziej złożonych relacji zaufania
Bezpieczeństwo fizyczne A T R T R T A A R T T A R R A A A T A R Wzajemna widzialność nadajnika i odbiornika nie gwarantuje niemożności ingerencji w transmisję danych W zależności od fizycznej realizacji komunikacji może to być trudne lub stosunkowo proste do przeprowadzenia Techniki będące optyczny,m odpowiednikiem WiFi beamforming ułatwiają atak
Wireless visible light communication technology using optical beamforming Ogniskowanie oświetlenia LED na wybranym celu 1 db zysku Wykorzystywany jest SLM (spatial light modulator) przeźroczysty element sterowany cyfrowo modulujący ampliudę i fazę przechodzącego światła Tu SLM realizuje funkcje soczewki Fresnela Źródła: Wikipedia; "Wireless visible light communication technology using optical beamforming", Sung-Man Kim, Optical Engineering, 013
Fizyczny atak na VLC analiza ryzyka Trzy podmioty komunikacji: Infrastructure (oświetlenie, billboard,...) Fixed (np. telewizor, komputer) Mobile (Smartphone) Trzy parametry łącza danych: Range (Zasięg) Power (Moc nadajnika) większa moc to szybsza transmisja Radiation Angle ( kierunkowość ) Trzy aspekty (nie)bezpieczeństwa: Jamming: J = R / P Snooping: S = P * A Data Modification: M = J * S
Fizyczny atak na VLC analiza ryzyka Jamming: J = R / P Snooping: S = P * A Data Modification: M = J * S I F M 3 3 1 M F Range (R) 3 3 I I F M 3/ 1 1 I I F M I F M 3 1 M Jamming J 1 1 F 1 1 1 M F Power (P) M 4 4 4 F Snooping S I F M 3 3 I 3 3 M F I Radiation angle (A) 9 9 I I F M 6 4 M 6 4 4 F Modification M 9 9 I
Bezpieczeństwo Bezpieczeństwo 80.15.7 bazuje na: Fizycznych aspektach komunikacji Kryptografii symetrycznej Klucze dostarczane są przez warstwy wyższe: protokoły ich ustalania, wymiany, itp. nie wchodzą w ramy standardu Link-key, group-key Mechanizmy krypto zapewniają: Poufność (Szyfrowanie) Autentyczność/integralność (identyfikację źródła) Ochronę przed ponownym odtworzeniem (reply protection)
Bezpieczeństwo MAC - realizacja Ochrona kryptograficzna jest zawsze opcjonalna Założenie: ochrona kryptograficzna nie może wymagać znacznych zasobów od nadawcy i odbiorcy Wykorzystuje się Standard IEEE 80.15.4-006 (Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)) Zdefiniowano 8 poziomów ochrony: 0 brak Pozostałe: różne kombinacje stosowania szyfrowania danych i MIC: MIC3, MIC-64, MIC-18, ENC, ENC-MIC-3, ENC-MIC-64, ENC-MIC-18, Szyfrowanie: CCM* - AES-CCM (Counter with CBC-MAC, 18 b.) CCM Nonce: ExtendedAddress, licznik ramek, Security Level Szyfrowaniu podlegają: dane, beacon payload, command payload Klucze zdefiniowane: implicite (na podstawie adresu docelowego) lub explicite Licznik ramek (3 b.) zapobiega atakom typu replay, mechanizm reinicjalizacji kluczy gdy licznik dojdzie do 0xffffffff ale mnie ma gwarancji, że nie zostaną użyte te same klucze (poza standardem)
Bezpieczeństwo MAC - wnioski Ochrona kryptograficzna jest zawsze opcjonalna: Nie we wszystkich zastosowaniach jest potrzebna, ale:... Duża pokusa aby z niej nie korzystać także tam gdzie jest potrzebna Szyfrowaniu podlegają: dane, beacon payload, command payload Istotne pola nagłówka nigdy nie są szyfrowane co pozwala na realizację ataków znanych z WiFi (80.11) Klucze zdefiniowane: implicite (na podstawie adresu docelowego) lub explicite W przeciwieństwie do np. Zigbee czy innych sieci WPAN do ustalania kluczy symetrycznych nie zdefiniowano protokołu wyższego rzędu Ryzyko stosowania niezweryfikowanych / uproszczonych / źle zaimplementowanych protokołów ustalenia klucza.
Rougue AP w VLC Symulacja w zakresie downlink Pokój 5m x 5m oświetlony 4 sufitowymi kasetonami LED Każdy z kasetonów: 7x7 indywidualne LED Odbiornik VLC na wysokości 1,65m Jeden z kasetonów zostaje przejęty, tj. jest modulowany z innego źródła niż pozostałe 3 Wariant 1 standardowy, kolor obrazuje oświetlenie w lx (bezpośredni związek z SNR, Co wyznacza maks. przepustowość)
Rougue AP w VLC Jeden z paneli zostaje przejęty (1) Mapy obrazują: (1) Oświetlenie bez wkładu przejętego panelu () Wkład przejętego panelu (3) Log ( ośw_3_ap / ośw_r_ap) Wariant przejęty AP () (3)
Podsumowanie, wnioski W projektowaniu zabezpieczeń sieci VLC uwzględniono doświadczenia z lat ubiegłych: WiFi, BT,... Model bezpieczeństwa zbyt ufa fizycznym ograniczeniom medium Zabezpieczenia na poziomie protokołu wywodzą się z sieci WPAN i są nieadekwatne w realizacji sieci bezprzewodowych ogólnego przeznaczenia Co dalej? - standard 80.15.7 do rewizji (ale z innych powodów)