Implementação em plataformas SDR de esquemas de codificação para segurança na camada física baseados em códigos curtos e técnicas de interleaving

Abstract

Os últimos anos trouxeram um crescimento das comunicações sem fios, o que se refletiu numa maior preocupação com a segurança dos dados transmitidos entre dispositivos. Apesar da criptografia providenciar níveis satisfatórios de segurança, não é inquebrável, pelo que não se consegue garantir que não haja alguma fuga de informação. Nesse sentido, têm sido desenvolvidos métodos de introduzir segurança também na camada física, como complemento à segurança já existente.Recentemente, foi proposto um esquema que recorre a uma chave aleatória de interleaving, que é usada para baralhar a mensagem a transmitir, e que é, posteriormente, anexada à mesma, sendo ativado um jammer durante a transmissão dos bits correspondentes à chave gerada, de forma a criar uma vantagem em relação a um possível eavesdropper. Paralelamente a este, foi desenvolvido um esquema idêntico, mas em que os bits correspondentes à chave são apagados depois da mensagem ser codificada. Este último esquema parte do pressuposto da existência de uma vantagem do recetor legítimo face a um possível eavesdropper, expressa em termos de uma melhor relação sinal-ruído (por exemplo, a transmissão entre os intervenientes legítimos é realizada dentro de uma sala, garantindo que não existe um eavesdropper dentro da mesma), permitindo ao recetor legítimo a recuperação correta da chave, o que não é possível em situações de comunicação mais degradadas. Nesta dissertação é realizada a prova de conceito com a implementação em ambiente real de ambos os métodos em plataformas de rádio definido por software (SDR – Software Defined Radio), programadas com recurso ao MATLAB/Simulink. São, também, apresentados cenários de teste adequados, onde foram realizadas experiências que mostram a existência de um acréscimo de segurança introduzido por estes esquemas num cenário real. No decorrer da implementação, foi, ainda, proposta uma variação a ambos os esquemas, substituindo o interleaver por um scrambler, tendo sido obtidos resultados significativamente melhores. Nesta dissertação, são também descritos os problemas e dificuldades inerentes à implementação prática e teste de um sistema de comunicação genérico em plataformas SDR. Em concreto, e a título de exemplo, é proposto e foi implementado um processo de automatização dos testes, assente em comunicação sobre UDP, que permite a sincronização de vários SDRs (que modelam os sistemas transmissores e recetores), que pode ser aplicado a outros modelos de Simulink que representem um canal de escuta.Com estes resultados, mostra-se que os esquemas propostos cumprem os requisitos de garantir uma transmissão segura e fidedigna, podendo vir a ser um importante complemento à segurança das comunicações, principalmente em dispositivos móveis, como telemóveis (onde a segurança baseada em proximidade está a ganhar força) ou dispositivos da Internet das Coisas de baixo consumo, onde pode não ser possível utilizar os métodos da criptografia.

The last few years have brought a growth in the usage of wireless communications, which was reflected in an increased concern for the security of data transmitted between devices. Although cryptography provides satisfactory levels of security, it is not unbreakable, so one cannot guarantee that there is no leakage of information. Therefore, methods have been developed to introduce security also at the physical layer, using codes with finite blocklengths, in addition to existing security.Recently, a new schema has been proposed that generates a random interleaving key, which is used to shuffle the message to be transmitted, being afterward attached to it for transmission, while a jammer is turned on during the transmission of the key, in order to create an advantage over a possible eavesdropper. Meanwhile, an identical schema was developed, in which the bits corresponding to the key are erased after the message is encoded. This latter schema is based on the assumption of a legitimate receiver’s advantage over a possible eavesdropper, expressed in terms of a better signal-to-noise ratio (for example, by performing the transmission within a room, ensuring that there is no eavesdropper inside it), allowing the legitimate receiver to correctly recover the key, which is not possible in more degraded communication situations.In this dissertation, the proof of concept is performed with the implementation of both methods on Software Defined Radio (SDR) platforms, programmed using MATLAB/Simulink. Appropriate test scenarios are also presented, where experiments were conducted that show the existence of an increase in the security introduced by these schemes in a real scenario. In the course of implementation, a variation of both schemas was proposed, replacing the interleaver with a scrambler, and significantly better results were obtained. In this dissertation, the problems and difficulties inherent to the practical implementation and testing of a generic communication system on SDR platforms are also described. Particularly, as an example, a test automation process based on communication over UDP is proposed and implemented, which allows the synchronization of several computers operating SDR (which can model the transmitter and receiver systems), which can be applied to other Simulink models using the wiretap channel.With these results, it has been shown that the proposed schemes ensure a safe and reliable transmission. These may be an important complement to the security of communications, mainly on mobile devices, such as mobile phones (where proximity-based security is gaining traction) or low power devices from the Internet of Things, where typical cryptographic mechanisms may not be applicable.