Novel algorithms, models and architectures for enhanced cyber security and energy efficiency in Internet of Things environments

Abstract

It is a fact that the interconnection of a huge number of devices on the Internet, known as the “Internet of Things” or simply IoT, causes risks in terms of user privacy, device security, and overall network protection from potential cyber attacks. This is due to the limited resources available on such devices to support efficient security mechanisms and advanced encryption algorithms. As a consequence, the low level of security in IoT-based devices motivates attackers to use them in order to create their own network, turning the Internet of Things into a Botnet of Things (BoT) so as to launch a series of Distributed-Denial-of-Service (DDoS) and Man-in-the-Middle (MitM) attacks. In this way, they can steal personal sensitive information and cause network instability, setting out of order a large number of devices. Therefore, the transition from IPv4 to IPv6 poses big challenges that should be carefully addressed. In this Doctoral Thesis, novel secure algorithms, models, and architectures are proposed to ensure cyber security and privacy in IoT. In addition, advanced routing algorithms and energy-efficient (EE) data collection mechanisms are proposed to improve the network lifetime and packet delivery ratio in Wireless Sensor Networks (WSN) and IoT. The role of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) as both data collectors and energy transmitters for a WSN is also explored, while new mechanisms can be used in parallel in order to harvest energy the environment to power WSN nodes more efficiently. Big Data Analytics (BDA) and Artificial Intelligence (AI) methods can also be used on a cloud server thanks to Cloud Computing (CC) solutions to improve both energy efficiency and cyber security in current and future IoT environments.

Είναι γεγονός ότι η διασύνδεση ενός τεράστιου αριθμού συσκευών στο Διαδίκτυο, γνωστό ως "Διαδίκτυο των Πραγμάτων" ή απλά IoT, εγκυμονεί κινδύνους όσον αφορά το απόρρητο των χρηστών, την ασφάλεια των συσκευών και τη συνολική προστασία του δικτύου από πιθανές επιθέσεις στον κυβερνοχώρο. Αυτό οφείλεται στους περιορισμένους διαθέσιμους πόρους σε τέτοιες συσκευές για την υποστήριξη αποτελεσματικών μηχανισμών ασφαλείας και προηγμένων αλγορίθμων κρυπτογράφησης. Κατά συνέπεια, το χαμηλό επίπεδο ασφάλειας σε συσκευές που βασίζονται στο IoT παρακινεί τους επιτιθέμενους να τις χρησιμοποιήσουν για να δημιουργήσουν το δικό τους δίκτυο, μετατρέποντας το Διαδίκτυο των Πραγμάτων σε ένα Botnet των Πραγμάτων (BoT), έτσι ώστε να ξεκινήσουν μια σειρά Κατανεμημένων Επιθέσεων Άρνησης Υπηρεσιών (DDoS) και Man-in-the-Middle (MitM). Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να υποκλέψουν ευαίσθητες προσωπικές πληροφορίες και να προκαλέσουν αστάθεια στο δίκτυο, θέτοντας εκτός λειτουργίας μεγάλο αριθμό συσκευών. Επομένως, η μετάβαση από το IPv4 στο IPv6 εγείρει μεγάλες προκλήσεις που θα πρέπει να διευθετηθούν προσεκτικά. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, προτείνονται νέοι ασφαλείς αλγόριθμοι, μοντέλα και αρχιτεκτονικές για τη διασφάλιση της ασφάλειας στον κυβερνοχώρο και της ιδιωτικού απορρήτου στο IoT. Επιπλέον, προτείνονται προηγμένοι αλγόριθμοι δρομολόγησης και ενεργειακά αποδοτικοί (EE) μηχανισμοί συλλογής δεδομένων για τη βελτίωση της διάρκειας ζωής του δικτύου και του ποσοστού παράδοσης πακέτων στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (WSN) και το IoT. Διερευνάται επίσης ο ρόλος των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV), τόσο ως συλλέκτες δεδομένων, όσο και ως μεταδότες ενέργειας για ένα WSN, ενώ νέοι μηχανισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα προκειμένου τα UAV να συλλέγουν ενέργεια από το περιβάλλον για να τροφοδοτούν τους κόμβους του WSN πιο αποτελεσματικά. Οι μέθοδοι Ανάλυσης Μεγάλων Δεδομένων (BDA) και Τεχνητής Νοημοσύνης (AI) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε διακομιστή cloud, χάρη στις λύσεις Υπολογιστικής Νέφους (CC), για τη βελτίωση τόσο της ενεργειακής απόδοσης, όσο και της ασφάλειας στον κυβερνοχώρο σε τρέχοντα και μελλοντικά περιβάλλοντα IoT.