Proof of location as a security mechanism for vehicular Ad Hoc networks

Abstract

In vehicular communication, nodes periodically share Cooperative Awareness Messages (CAMs) in order to convey information such as identity, velocity, acceleration and position. The positioning of nodes in a vehicular network is a key factor that directly affects how applications operate, being the formation of platoons a major case. In vehicular platooning, a group of vehicles travels closely together and leverages information shared through CAMs to operate lateral and longitudinal control algorithms. While the standardised cryptographic mechanisms counteract threats such as identity hijacking and packet tampering, an internal member who holds valid credentials may still be able to lie about the data it transmits in CAMs. In current Vehicular ad hoc Network (VANET) models, each vehicle is responsible for determining and informing its own position, generally using a Global Navigation Satellite System (GNSS) such as the Global Positioning System (GPS). This allows malicious actors to lie about their position and therefore cause unwanted effects in vehicular applications. The dependence of VANET applications on correct node localization introduces the need for position assurance mechanisms. In this dissertation, we first identify the risks associated with falsifying the position in vehicular platooning. Through simulations using the Veins framework, we show that collisions at high speed on a platoon may be caused by nodes that collude in falsification attacks. Given that truthful positioning is essential to proper behavior of VANET applications, we investigate proof-of-location schemes proposed in the literature. Then, a proof-of-location mechanism tailored for VANETs is designed using roadside units, with the capability of using different proof frequencies according to detection accuracy and overhead requirements. Through simulations using the studied attacks in this work, we show that the mechanism can counteract Sybil and message falsification attacks.

O desenvolvimento de redes veiculares possibilita o surgimento de sistemas inteligentes de transporte que podem aumentar a segurança nas vias, aperfeiçoar o controle de tráfego e fornecer entretenimento aos passageiros. O avanço e padronização de tecnologias de comunicação inter-veicular permitem que veículos compartilhem informações de forma colaborativa de maneira a viabilizar o estabelecimento de sistemas de transporte inteligentes cooperativos (C-ITS, Cooperative Intelligent Transportation Systems). Na comunicação veicular, cada nó compartilha periodicamente uma mensagem que contém informações sobre seu estado como posição, velocidade e aceleração. Estas mensagens são denominadas Cooperative Awareness Messages (CAMs) e podem ser utilizadas por veículos vizinhos para a operação de aplicações, sendo a formação de comboios um exemplo. Em um comboio veicular, um grupo de veículos viaja com distância reduzida entre cada membro através da operação de um controlador que utiliza informações compartilhadas por CAMs. O posicionamento compartilhado através de CAMs por cada veículo é crucial para a operação dos controladores de nós vizinhos, dado que este será utilizado para a condução do veículo. Embora os controles criptográficos padronizados para troca de mensagens em VANETs ofereçam contramedidas contra ataques como roubo de identidade e adulteração de pacotes, um atacante interno que possua credenciais válidas do sistema ainda pode mentir sobre as informações que são transmitidas para outros veículos. Em modelos atuais de redes veiculares, cada veículo é responsável por obter sua localização, normalmente através de GPS (Global Positioning System). A dependência de aplicações VANET na posição correta dos nós introduz a necessidade de mecanismos de garantia de localização. Nesta dissertação são identificados os riscos associados com a falsificação de posição em comboios veiculares. Através de simulações utilizando o ambiente de simulação Veins, mostramos que colisões em alta velocidade podem ser causadas por nós que atuam em conluio na falsificação de mensagens para um comboio. Dado que posicionamento legítimo é essencial para o funcionamento adequado das aplicações VANET, investigamos mecanismos de prova de localização propostos na literatura. Então, projetamos um mecanismo de prova de localização adaptado para VANETs usando equipamentos de estrada (RSUs, roadside units), com a capacidade de usar diferentes freqüências de prova de acordo com os requisitos de precisão de detecção e sobrecarga. Através de simulações usando os ataques estudados neste trabalho, mostramos que o mecanismo pode detectar ataques de falsificação de mensagens e Sybil.