Reti acustiche sottomarine: progettazione di protocolli e problematiche di sicurezza

Although underwater networks have been developed for considerable time now, the harshness of the acoustic channel still poses a lot of challenges for wireless communications. In addition, the development of low cost modems paves the way for new applications in different scenarios, such as future smart ports. Nevertheless, for the time being, the use of underwater net- works is still mainly related to military and public safety applications, whose relevance arises further challenges related also to network security. Indeed, a network failure caused by an attack could lead to serious consequences. However, security problems have not been deeply investigated so far, and the implementation of terrestrial network countermeasures in the underwater field is not always feasible. In this thesis we focus on both open challenges previously described: the design of efficient communication protocols, and the analysis of attacks and countermeasures in underwater networks. First, we consider a data collection service in a smart port scenario, designing a Medium Access Control (MAC) protocol for this service and analyzing the End-To-End (E2E) transmission, from sensor nodes to the shore. We eval- uate the performance through both simulations and field tests. Afterward, we analyze security issues in underwater networks. We start by analyzing attackers with limited knowledge of the protocol stack, studying the effect of jamming and replay attacks. We then move to the design of a counter- measure based on a trust metric to be employed against more sophisticated attacks in which the malicious node can exploit the protocol’s behavior and vulnerabilities to carry out the attacks. In both cases we specifically focus on the peculiarities of the acoustic channel that differentiate attacks and countermeasures in underwater networks from their terrestrial counterpart.

Nonostante le reti sottomarine siano ormai studiate da tempo, esistono an- cora molte difficolt`a da affrontare, causate dell’avversit`a del canale acustico, per poter stabilire una comunicazione wireless affidabile. Inoltre, lo sviluppo di nuovi modem a basso costo apre la strada a nuove applicazioni per le reti sottomarine, come, ad esempio, applicazioni per i futuri porti intelligenti. Ad oggi, comunque, i principali ambiti di utilizzo delle reti sottomarine ri- mangono quello militare e di pubblica sicurezza, la cui rilevanza pone inoltre ulteriori sfide legate anche alla sicurezza delle reti. Infatti, un’interruzione dei servizi forniti dalle reti causata da un attacco potrebbe portare a se- rie conseguenze. Tuttavia fino ad ora, gli aspetti di sicurezza delle reti sottomarine non sono stati adeguatamente studiati e l’utilizzo di contro- misure progettate per reti terrestri non sempre risulta possibile. In questa tesi ci occuperemo sia della progettazione di protocolli di comunicazione efficaci, che dell’analisi di attacchi e contromisure nelle reti sottomarine. Prima di tutto, progetteremo un protocollo MAC per la raccolta di dati da sensori sottomarini in ambiente portuale e analizzeremo le prestazioni com- plessive della rete, dalla trasmissione dei dati dai sensori fino alla ricezione sulla costa. L’analisi delle prestazioni verr`a effettuata sia attraverso sim- ulazioni che attraverso test sperimentali. Successivamente, ci dedicheremo all’analisi della sicurezza nelle reti sottomarine. Cominceremo analizzando degli scenari in cui gli attaccanti dispongono di una conoscenza limitata dei protocolli di rete, studiando gli effetti di attacchi di tipo jamming e re- play. Progetteremo, poi, contromisure basate sulla reputazione di un nodo, a protezione di attacchi piu` sofisticati in cui il nodo attaccante conosce il funzionamento e le vulnerabilit`a dei protocolli e sfrutta queste conoscenze per attaccare la rete. In entrambi i casi, ci concentreremo sulle peculiarit`a delle comunicazioni acustiche che rendono gli attacchi e le contromisure differenti rispetto a quelli in ambito terrestre.