Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 2,  May 2016, pp . 431 ~ 451   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i2.pp43 1-4 5 1        431     Re cei v ed Fe brua ry 21, 20 15; Re vised  Ap ril 23, 201 6; Acce pted  April 30, 201 6  A Lightweight Symmetric Cryptography Scheme for  Identifying Compromised Node in WSN       Yassine Mal e h* 1 , Abdellah Ez z a ti 2   1 Departem ent of Mathematics  and Co m puter  Sciences, LAV E T E  Laborat ory, Hassa n 1st Univers i t y , 5 7 7   Casa bla n ca R oad, F S T  de Settat, Km 3, Mo rocco   2 LAVET E Laborator y ,  Facu lt y   of Science a n d   T e chnol og y  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :  y . male h@ uh p.ac.ma       A b st r a ct   W i reless Sens or Netw ork (WSN) is consisti ng of  ind epe nd ent and d i strib u ted sens ors to mo nito r   physic a l or e n v iron me ntal c o nditi ons, such  as temperat ur e, soun d, pres sure, et c. T he most cruci a l  and   funda menta l  chall e n ge faci n g  W S N is se curity. D ue to  min i mu m ca pacity in -ter m of me mory c o st,   process i ng and physic a l acc e ssibility to sensors devic es  the security attacks are problematic. They ar e  mostly d e p l oye d  in op en ar ea,  w h ich expos e them to d i ffere nt kinds of atta cks. In this paper, w e  present a n   illustrati on  of different attac ks and vu ln erabil i ti es i n  W S N. Then w e  propos ed  a  new  lightw e i g h t   cryptogra phy  a l gorit hm for id e n tifying c o mpr o mise d no de  i n  W S N call ed  Lea p En hanc e d . Our eval uati ons   on T O SSIM give a precis e a nd deta i l ed id ea of the extr a cost of cons umptio n of resources n e e ded  to   ensur e the hi g h  leve l of expe cted security c o mpar ed to oth e r cryptogra p h y  schemes in l i t erature.      Ke y w ords : Wireless Se nsor  Netw ork, Key ma na ge me nt, LEAP, Cryptog r aphy, TinyOS         Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1.   Introduc ti on     Inexpen siven e ss, energy efficien cy, and con s i s te n c y in perform an ce is the n e e d  of the  day for ele c tronic  com m un ication. Thi s   has l ed to  the  advan ceme n t  of wirele ss tech nolo g ies  and   micro-el ect r o-mech ani cal systems (ME M S). Which  in turn made  it is possibl e to make l o w  power tiny de vices that run  autonom ou sl y. Which  evol ve a new  cla ss of di strib u ted networkin g  named wirele ss sen s o r   net works  (WSNs).  Today we fin d  this  kind  of netwo rk i n  a  wi de  ran ge  of potential a pplication s , inclu d ing   se curity and  surveill an ce, control, actua t ion and  main tenan ce of co mplex system s and fine -g ra in   monitori ng  of indoo r  and o u tdoor enviro n ments.  T he  majority of these a ppli c atio ns a r e de ploy ed   to monitor  an  are a  an d to  have a  rea c ti on when th ey regi ster  a crit ical eve n t. Th e data d o e s   no t  need to b e  confidential in  area s  su ch  as  capt u r ing  indoo r an d o u tdoor  enviro n mental eve n t s.  Ho wever, the  confid entiality of data ca n be e s sent i a l in othe r a pplication s , such  as fo r the   security of a territory in military [1] [2].  The different  cha r a c teri sti cs  of se nsor net wo rks  su ch a s   (ene rg y limited, low po we r  cal c ulatio n, u s e  of radio  waves, et c.)  re pre s ent s a  ch alleng e for re sea r che r s co mmunity. On e of  the key obj e c tives is th e energy co nsumption of  n ode s that ai ms to extend  the life of such   netwo rk. T he  necessa ry protocol s fo r th e functio n ing  of WSN  su ch  as me dium a c cess p r oto c ols,  routing  a nd  secu rity mu st  take i n to  account th e  con s traint s of  ne twork nod es while   saving as  much  as po ssible th eir e n e rgy con s um ption. The p u rpo s e  of the pro p o s ed  new  proto c ol s fo r  WSN i s  to  m a ke  a  com p romise  bet we en the  qualit y  of se rvice Q o S provi ded  by these solu tions  and the re sp e c t of the limitati ons imp o sed by netwo rk nod es.   Therefore, it i s  ne ce ssary t o  use effective  mechani sm s to protect t h is type of ne tworks.  Ho wever,  it is well   kno w n  that the  en cry p tion  sy stem s re pre s e n t a  first li ne  of d e fense a gain s t  all   types of attacks. Fu rthe rmore, crypt ogra phi c techniqu es mu st be desig n ed to detect  the   executio n of the most da n gero u s atta cks. In addi tion, these tech ni que s must be  small to fit  the   limited re sou r ce s of the WSN.  Senso r  no de s are limited i n  term s of co mput ing, me mory and  en ergy capa citi es, the s e  limitations  affect ne gativel y the functio n ing of  th e speci a l smart  techni que s t hat provide t he  requi re d  secu rity. Key man ageme n t p r ot ocol s  provid e  safe  path s  i n  sen s or net works. Th e id ea   is befo r e op ening the  sa fe route; nod es mu st  sh a r e some ide n tification an d authenti c at ion   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752      IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  431 –  451   432 informatio n. These securit y  keys al so n eed a m ana g e ment sy ste m  that take s  respon sibility  for   the cre a tion, maintena nce and security of key distrib u tion [2].  In this work we prop ose a lightwei ght se cu rity sch eme  for identifying  comp romi se d node   in WSN. Our  proposed  scheme is   based on the famous LEAP prot oc ol, proposed by Zhou. T h is  proto c ol i s   de sign ed to  secure  network  communi catio n s  with th e p r imary g oal i s   to immedi atel y  limit the imp a c t of the  security of a  co mpromi se d n ode  on th e n e twork. T he  proto c ol  su pp orts  four types of  keys that a r e  excha nge d to meet t he different requi re ments of  the  se curity of WSN:    Individual Ke y: Shared wit h  the base st ation     Pairwi se Key: Shared  with anothe r se nsor nod e     Clu s ter Key: Share d  with several nei ghb oring n ode s    Global Key: Share d  by all node s in the n e twork.   The critical a s sumption th at leap + ha s  con s id ere d  is that within T m in a no de cannot be   comp romi se d .  This hyp o th esi s  seem s  convenie n t,  bu t only und er i deal  con d itio ns, it is  po ssi ble   that Tmin  be  greate r  th an t he o ne  assu med. To  ad dress thi s  limita t ion, we  prop ose  two  mod e ls,   the first use  a periodi c verificatio n  "Periodi c Che c k" to detect the comp rom i sed no de. T he  se con d  mode l execute a seque nce num ber in e a ch   n ode an d co m pare d  them a fter the pairwi s e  key e s tabli s h m ent  step  wit h  the  inform ation  stor ed i n  t he b a se  station BS,  which  then m a kes the   deci s io n on  wheth e r to d e lete the sh ared  key. O u r evaluatio n  have been  impleme n ted  o n   TOSSIM sim u lator, and  it give a preci s e and deta ile d idea of the extra co st of the co nsumpti on  of reso urce s required to en sure t he high  expecte d level of security.  This  wo rk will  be o r ga nize d as well. In the second  p a rt, we i dentif y the variou s attacks  and vuln era b ilities in  WSN. We  prese n t then a  st a t e of the art  in term s of key manag em ent  algorith m s fo r WS N. Later, we will di scuss an d  anal ysis o u r p r op ose d  sch e me . We evalu a te   Leap Enh a n c ed in terms of conne ctivity, memory  compl e xity, scala bility, and resi stan ce  to   attacks, a nd  then  we  com pare  it to oth e r  schem es   prop osed i n  t he literature. This to pic en ds  with a gen era l  con c lu sion a nd a set of pe rsp e ctive s .      2. Differen t  Kind of Attacks and Vul n er abilities in Wireless S e nsor  Net w o r ks  The different  cha r a c teri sti c s of wi rele ss  sen s o r  net works (ene rg y limited, low-p o wer  c o mputing, us e of radio waves ,   etc ...) expos e them to many s e c u rity threat s .  The different   c h ar ac te r i s t ics   o f  w i re les s  s e ns or   ne tw or ks  ( e ne rgy li mited, low-po wer computin g, use of  radi o   waves, etc...) expose them to  many security  threat s. Without proper security  measurements  sensor net work  will be exposed to  multi p le attacks. T he two  general  categories  of  attacks that  are po ssi ble on  a wirele ss  net wo rk ge nerally ar e Ac tive and Pas s i ve Attac ks lis tening and   monitori ng th e com m uni cation chann e l  by unautho rize d attacke r s i s  con s ide r ed a s  p a ssi v e  at t a ck.  T h e s e  at t a ck s m a k e  it  pos sibl e  to retrieve  da ta from the n e twork b u t d o  not influe n c e  over it behavi o r. [4] [5] [6].    2.1. Routing  Attac ks in Sensor  Net w o r ks     2.1.1. Spoofed, Alter e d, or Re play ed Rou t ing  Info rmation    The mo st direct attack ag ainst a routin g prot o c ol i s  to target the routin g informatio n   excha nge d b e twee n nod e s . By spoofin g, altering,  o r  replayin g ro uting inform a t ion, adversa ries  may be able  to cre a te ro uting loop s, attract o r  repel  netwo rk t r af fi c, extend o r  sho r ten  sou r ce   route s , ge nerate false  erro r me ssage s, and  p a rtition the  network , increa se end -to-e nd  late n c y  and so on.     2.1.2. Selectiv e  For w a rdi ng  Only ce rtain  packet s  can  be d r op  sel e ctively  by a  malicio us  no de. Thi s  is e ffective   spe c ially if i s   combi ned  wit h  an  attack  which  gath e r  m u ch  traffic through  the  nod e. It is a s sum ed  in sen s o r  net works that no des  sin c erely forwa r d  a nd receive me ssa ges. In situati on wh ere  so me   of the comp romise d n ode  refu sed to  forwar d pa cket the nei gh bors may  sta r t usi ng a not her  route. [7] [8]      2.1.3. Spoofed, Repla y ed and  Alte re d Routin g Informatio n   Ad ho c routin g that is un protected  is vul ner a b le to t h ese  kin d s of  attacks  be ca use  every  node a c t as a  router a nd h ence ca n dire ct ly affect rou t ing informati on. Like:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     A Lightweig ht Sym m e tric Crypto graph y  Schem e for Identifyin g  …   (Yassi ne Mal e h)  433   Extend or sh orten servi c e  route s     Gene rate false error me ssage s    Cre a te ro utin g loop s    Incre a se end -to-end late ncy    2.1.4. Sy bil  Attac k s   T h i s  ki n d  o f  a tta ck ta rg e t s faul t to l e ran t  sch eme s  l i k e  mu l t i   p a t h  rou t i n g ,  d i stri b u t e d  sto r ag e  and  topol og y ma int ena nce. A no d e  dup lic ate  itse lf and pr esent i n  the multi p le l o catio n s. In the net w o rk  a sin g l e   node,  pre s e n t  multiple id e n tities in  a S y bil attack a s  sh own in  fig u re  1. To  p r e v ent Sybil attack   authenti c atio n and en crypt i on tech niqu e s  ca n be u s e d . [7]        C     Figure 1. Sybil attack      2.1.5. Sinkhole Attack   Sinkhol e atta ck is to  attra c t traffic to  a  specif i c  n ode.   The m a in  go al of th e atta cker h e re  is to attra c t n early all the t r affic from a  p a rticul ar  are a   throug h a  co mpromi se d n ode. Thi s  can  be   done by ma ki ng the com p romise d nod e the most attra c tive to the neighb or no de s.    2.1.6. Worm hole Attac k   In this  kind  of attack an  attacker re co rd s  packet  at on e location, tu nnel the m  to  anothe r  locatio n  in the netwo rk a n d  then retran smit t hem into the netwo rk as sh own in figure 2.            Figure 2. Wo rmhole attack      2.1.7. Hello Flood Attac k   In hello floo d  attack, the  attacker  use s  hell o  pa ckets a s  a  we apon to  con v ince the  sen s o r s in th e network. Attacker  se nd s  a ro uting  p r ot ocol  hello  pa cket from  one  node  to a not her  with mo re  en ergy. An  attacker  with  a  high  pro c e s si ng p o wer  an d tran smi s sio n  ra nge  sen d s  Hello  pa ckets to a num ber of sen s o r  n o de that a r e i s olated in  a la rge  are a  with in the net wo rk.  The sen s o r s  thus g e t co n v inced th at the adve r sary  is their  neig hbor. A s  a result, the victim  node s try to go thro ugh t he attacke r , as they kno w  that it is their neig hbo r while se ndin g   the  informatio n to the base  station  (BS) a s  shown in figure 3.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752      IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  431 –  451   434     Figure 3. Hell o flood attack      2.2. Denial of Serv ice Attacks   In this  kin d  of attack, t he o b je ctive of  the  mali ciou s  adversary is to av oid the  provisi onin g  of servi c e. Th e most  comm on and b a si c  dos atta cks can be:     2.2.1. Po w e r  Exhaus tion Attac k   An attacke r i m pose a com p lex task to a  sen s or n ode  in order to u s e its battery  life. As   we are awa r e  of the fact senso r  are lo w  power  devi c e s  with limited sup p ly of energy. In addition,  sen s o r  no de s are limited  with co mput ational capa bilities, so th is attack can  slow  do wn  the  reac tion time.     2.2.2. Jamming Attac k   This i s  the primary physi cal layer DoS  attack  against WSN. In this  k i nd of attac k ,  the  attacker emit s radi o freq ue ncy sig nal s that do  not follow an un derlyi ng MAC protocol, which lead   to a pro b lem  that none  of the mem ber  o f  the netwo rk   in the affecte d  are a  will  be  able to  sen d  or  receive any packet. In other word s, the adversa ry tires to tran smit sign als  to the receivi ng  antenn a at the sam e  fre quen cy ban d  or sub b a n d  as the tra n smitter, whi c h cau s e s  radio   interferen ce. The attacke r  need s hig h  e nergy  to disru p t continu o u s ly the network [9].      2.2.3. Node  Subv ersion   In this ki nd  of attack, the  whol e sen s or net wo rk  may be com p romi se d be cau s e th e  captu r e no de  may reveal cryptograp hic  keys.    2.2.4. Node  Outa ge   In this kin d  o f  attack a  situation, o ccu r  whe r e the n ode  stop s its function. He nce, the   sen s o r   n e two r k protocol  should be rob u st  e noug h t o  mitigate th e effect s of  node  outag e s  by   providin g  an alternate rout e.    2.2.5. Ph y s ic al Attack s   As we have mentione d re peatedly  th at sen s o r  n e two r k op erate  in  outdoo r e n vironment   mostly  which  ma ke hig h ly  su scepti b le  to physi cal attack. This co de b e   phy sical node  destructio n . This attack i s  d i ffe rent from  others in the  sen s  t hat he re a node  ca n be pe rman en tly  damag ed o r  destroyed.     2.2.6. Node  Replica t ion Attac k s   In this  kind  o f  Attack a  no de i s  ad ded   to  the existin g  sen s or net work  by copy ing the  node I D  of an  existing  sen s or no de. Thi s  can  seve rely  disrupt the  sensor n e two r k pe rforman c e.  The pa cket can be misrou ted or even corru p ted,  which can lea d  to disco nn ected net wo rk or  false  sen s o r   readi ng et c. Once the att a cker  get  ph ysical  acce ss to the entire  netwo rk, it can  copy the keys to the replica t ed sen s o r  no des.     2.2.7. Passiv e  Informatio n Gath ering   If the sen s o r  netwo rk is  not en crypte d, an a d versary havin g p o we rful reso urces can   colle ct inform ation from it. If the intruder i s :  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     A Lightweig ht Sym m e tric Crypto graph y  Schem e for Identifyin g  …   (Yassi ne Mal e h)  435   Appro p riate p o we r re ceive r     Well de sig n e d  antenn a   Then it  can  easily pi ck of f the data st ream . If the messag e inte rce p tion  cont ains th e  physi cal lo cat i on of  sen s o r  nod es th en i t  allows atta cker to lo cate   the no de a n d  de stroy the m .  The adve r sa ry can  ob serve the spe c i f ic co ntent  of a  me ss a ge th a t  in c l u des  time s t amps ,   messag e IDs and  othe r fiel ds. Stro ng e n c ryption  te ch nique s n eed  to be  used i n   orde r to  prevent  passive information gathe ring.      3. Related Works  Wirel e ss sen s or n e two r ks are highly vulnerabl e a g a inst attacks, it is very important to   adopt some  mech ani sm s that  can protect  the  n e tw ork from  all  kind s of atta cks. It must  be   ensure that t he syste m  is prot e c ted b e fore, du ring  and after a n y kind of at tack. Th e m o st  importa nt tools that ensu r e se curi ty an d its servi c e s  are the se curity primitiv es [10]. Tho s e   primitives  are s y mmetric k e y enc r ypt i on (SKE) , public   k e y cryptogr aphy (PKC) and has h   functions [11]. SKE and  Hash functi ons are the  primi t ives that  ca n be  called the building bl ocks  whi c h offer a  basi c  prote c t i on of the informatio n flow, becau se th ese a s sure the co nfidenti a lity  and integ r ity  of the chann e l . Public key cryptog r a phy assures p r ote c tion from the  particip a tion of  external e n tities an d elimin ates the p r ob lem of  a mali ciou s in side r,  which try to use m o re th a n   one ide n tity.  PKC assures  this by allowi ng authe ntic a t ion of the peers involve d  in the informat ion   excha nge. Base d on the  primitives  it is po ssi ble to  creat e a bet ter netwo rk service s . It is also  equally i m po rtant to  hav e a  key m anag ement   system  for  con s tru c ting  a  se cu re   key  infras t r uc ture.       3.1. Method s  and Protoco l s Classifica tion  Most methods based on symmetr ic, a symmetric o r  h y brid sy stem s solve the p r oblem of  key e s tabli s h m ent throug h  a p r e d istri b u t ion ph as e. T he p r edi stri b u tion of  en cryption keys i n  a  WSN i s  th e f a ct of  stori ng  these  keys in  the  me mory node s before   deploym ent. In  literatu r e, we  find several classificatio n s  of cryptog r ap hic  key  mana gement sy ste m s, su ch a s  pape rs in [12 ]  -  [14].  Some cl assifi cation s m e th ods  are ba se d on  key  sha r ing  between  two no de s (P airwi s e )   or  mo re nod es (Group -wi s e), and oth e rs  rely  o n   exploiting th e pro babilitie s, co mbinato r y  analysi s , etc.  We  cho s e t o  make a  cl assificatio n , whi c h in clud es all  key m anag ement a n d   distrib u tion m odel s into two large famili es. Th e fi rst family co ntain s  the  asymm e trical  sch e m e s  and the seco nd incl ude s the symmet r ical schem es.  Fi gure 4 illust rates thi s  cl a ssifi cation. In  the   following, we  will detail the  main models  in literature.    3.2. Sy mmetric Schemes    The  schem e s  in t h is  cat egory  use  symmetric  me cha n ism s  i n  ord e r to  e s tablish  a   comm on key betwe en two  node s in a WSN. This is a c compli she d  in three  steps:     Key predi stri bution: keys  store d  in m e mory  befo r e  deployme nt constitute the  key rin g  of   node. If there  is a  commo n key b e twee n two n ode s,  they can  cre a te a secure  con n e c tio n   betwe en the m .    Share d -key discovery: After deployin g  the  commu nicatio n  prot ocol i s  re sp onsi b le fo r  discoveri ng the com m on  key betwee n  two nei ghbo ri ng nod es.     Path-key est ablishment: if there is n o  comm on  key between  two node s wishi ng to   comm uni cate , there mu st then find a  se cure path  bet wee n  them. T h is p a th goe s throug h a   set  of nod es that  alre ady contain s  se cure  lin ks.  On ce  the p a th e s t ablished, th e  two n ode s  can u s e it to se cure co mm unication.   We p r e s ent in the followin g  symmetri c a l  sch eme s  according to the  decom po sition of figure 4.     3.2.1. SPINS  SPINS is a suite of secu rity building blo c ks propo se d  by Perig and several othe r authors  in [15]. It is   optimiz ed for res o urce  c o ns trai ned  en vironme n ts a nd wi rel e ss  comm uni cati on.  SPINS ha s t w o  se cu re  b u ilding  blo cks: SNEP  an d  μ TESLA. SNEP  us es  a  shared  counter   betwe en the two communi cating pa rtie s and applie s t he co unter in  calculating e n cryptio n  and  a  messag e  aut hentication code (MAC)  to  provides d a ta co nfidenti a lity, semanti c  security, d a ta   integrity, two-party data a u t henticat io n, replay protecti on, and  we ak  messag e fre s hn ess. What ’s    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752      IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  431 –  451   436 more,  the  protocol   also  has  l o w   co mmuni cati on   overhe ad,  for  the  cou n ter state i s   ke pt at   each end poi nt and the protocol only add s 8 by tes per messa g e . For appli c ations requi ri ng  stron g  freshn ess, the  sen der  create s   a ra ndom  no nce  (a n u npredicta b le 6 4 -bit value) an d   inclu d e s  it in the requ est  messag e to the re ceiver. The re ceiv er ge nerates the respon se  messag e an d includ es th e non ce in the MAC co mputation.  μ TESLA provides a u thenti c ated   broa dcast fo r seve rely  re s ource -con stra i ned enviro n m ents.  μ TES L A co nst r u c ts a u thenti c at ed   broa dcast fro m  symmetri c   primitives, bu t intr odu ce s a s ymmetry wit h  delayed  ke y disclo s u r e a n d   one-way fu nction key  ch ain s . SPINS re al ize s  an  aut he nticated  ro uting ap plicatio n and  a  se curity  two-p a rty key  agre e ment  with SNEP a nd  μ TESLA separately wit h  low  stora g e ,  calcul ation  and   comm uni cati on consumpti on. Howe ver,  SPINS still have some underlying probl ems as follows:     It doesn’t co n s ide r  the po ssibility of DO S attack;     Due to  use th e pairwi s e  ke y pre-distri but ion sch e me  I  the se cu rity  routing  p r oto c ol,  SPIN S     rely  on  the  base station  exce ssively;     SPINS doe s  not con s ide r   the up date o f  comm uni cat i on  key. The r e mu st be  practical  key  update me ch anism to reali z e forwa r d se curity;     SPINS canno t solve the problem of hidd en ch ann el le ak an d com p romise n ode.      3.2.2. LEAP  LEAP (Locali z ed Encryption and Authentication  Protocol) i s  a key management protocol   for se nsor  ne tworks th at is desi gned to  sup port in -net work p r o c e s si ng with the  prime goal  at the  same  t i me t o  re st rict  t he  se curit y  imp a c t  of   a no de,  whi c h i s  co mpromi se d to the imme di ate   netwo rk n e i ghbo rho od. The idea of  leap+ was motivated after having  this intere sting   observation t hat different t y pes of me ssage s  that  are   excha nged betwe en sen s or nod es ha ve   different re qu ireme n ts of secu rity. This obser vation  gives the co nclu sio n  that a single keying  mech ani sm i s  not suitable  for meeting  these diffe re nt security re quire ment s [16] [17] [18]. For  each nod e le ap su ppo rt the establi s hm ent of four types of key s :     Individual key: Shared with  the base stati on;    Pairwi se  key: Shared  with anothe r se nsor nod e;    Clu s ter Key: Share d  with  multiple neig hbori ng no de s;    Global  key: Share d  by all node s in the n e twork.   The  pa ckets that e a ch n ode  exch ang ed in  a  sen s or  network  can b e   cla s sified into   several cate g o rie s , whi c h i s  ba sed o n  di fferent crite r ia  for example:     Control pa ckets vs Data p a ckets    Broad ca st Packets Vs  Uni c ast Packet s    Queri e s o r  co mmand s Vs  Senso r  re adi ngs a nd so o n .  The  se cu rity requi rem ent f o r e a ch p a cket is diffe rent  it depe nd s o n  the  categ o ry it falls  in. Almost  all  type of pa cke t s r equi re s a u thentication  while  confide n tiality is o n ly for  som e  typ e s  of pa ckets.  Here it i s  m entione d that  sin g le  k e ying  mec h an ism is   n o t  ap pr op r i a t e fo r   a ll  th e   se cure co mm unication that  are nee ded i n  sen s o r  net works.     3.2.3. Tin y sec  Karlof et al. [19] prop ose the TinySec P r otoc ol, the first full imple m entation of a se cure   architectu re  a t  the data link layer for  WS N. This  i m ple m entation  su pport s  two  se curity optio ns: a  messag e aut hentication with data encryption (T inySec-EA )  and  authenti c atio n of messag es  without data  encryption  (TinyS ec-Aut h). As SPINS, TinySec use s   standa rd crypto gra p hic  algorith m s to  ensu r e priv acy and me ssag e integr ity  che ck. The  authors  of Tinyse c find that  Skipja ck alg o r ithm [20] i s   more  suitable  for  WS N tha n  RC5  (al gori t hm used  by  SPINS). Inde ed,  evaluation s  o f  TinySec have s hown that RC5 ne ed s a pre - key calcul ation usi ng 104 bytes of  RAM. TinySec uses th e CBC e n cryption mod e   (Ci pher Blo c k Chainin g ) in stead of the CT R  (used  by SPINS). Ind eed,  the  CT R  will  provide  fo r  more  pa cket  encryption  th e same  rand om  numbe rs. Th ese  numb e rs a r e u s e d  prima r ily in  the produ ction of the  encryption  keys   seq uen ce s; their repetitio n can  wea k e n  the se curit y  level of this sol u tion an d sub s e quen tly  allowin g  a d ve rsa r ie s to  di scover the  con t ent of  me ssa ges.  TinySec is  an i m plem entation  rath er  than a  key di stributio n p r o posal, he  co mes to  co mpl e te a  key di stribution  meth od suited to t he  expand ed net work. T w o no des  need t w o - sh ared sym m etric  key to  comm uni cate . The first u s ed  to encrypt me ssage s an d the se co nd fo r calculating M A C (code ) m e ssag es.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     A Lightweig ht Sym m e tric Crypto graph y  Schem e for Identifyin g  …   (Yassi ne Mal e h)  437 3.3. As y mme tric Scheme s   The sch e me s in this categ o ry use the mech ani sm s of asymmetri c  syste m s in  orde r to   establi s h a  co mmon key be tween two no des  o r  a grou p of node s of a WSN.      3.3.1. Micro-PKI    Munivel et  al [21] p r op ose  a m e th od for WS N  called  mi cro - PKI (Pu b lic Key   Infrastructu re  Micro), a  sim p lified version  of c onve n tio nal PKI. The base statio n  has  a pu blic  key  and  anoth e r  private. Th e  publi c   key i s  used  by the  network  nod es to  a u then ticate the  b a s e  station, a nd t he p r ivate  ke y is  use d   by  the ba se  stat ion to  de cryp t data  se nt from the  no de s.  Before de plo y ment, the public key of the base stat io n is sto r ed in  all node s. Th e autho rs in cl ude   in their  sche me two type s of authenti c a t ion (Hand sh ake ) . The first type of authenticatio n o c curs  betwe en a n e twork n ode  and the b a se  station.  The  node g ene rat e s a  symmet r ic  se ssi on key  and en crypts it with the public  key of the ba se  station. To en su re the integ r ity of messag es  excha nge d, the auth o rs p r opo se to inte grate  with e a c h m e ssa ge  a MAC  (code ) u s ing th e sa me   encryption  ke y of the message. Fo r  ne w node s wh o  wish to join the network, they simply st ore  in these n ode s, the publi c  key of  the base station befo r e depl oymen t .    3.3.2. Tin y  PK  Watro et al. [22] propo sed  a metho d  cal l ed TinyPK b a se d on th e u s e of p ubli c  keys an d   the p r in ciple   of Diffie-Hell man to  e s tab lish  a  se cret  key b e twe en  two n ode s i n  a  WSN.  Tin y PK  use s   a tru s te d autho rity to  sig n  the  pu blic  ke ys of  node s. Th e  CA key is  predistri buted  to all  node s befo r e  deployment  so they  ca n check key nei ghbo rs afte r deployme nt. The choi ce of  the   RSA algo rith m for e n crypt i on involve s   a great co n s umption  of time an d en ergy of the no des.  Thus, the basic  operation s can take  dozen second s, whi c h will  reduce t he network lifetim e as  well as  affec t  reac tivity.     3.3.3. PKKE & C BKE   The PKKE and CBKE protocol s proposed by Zigbee  using the identity of nodes in their  method of ke y establishm ent. The goal  is to use  the s e ide n tities to create a si ngle shared  key   betwe en ea ch  pai r of  no d e s  i n  a  n e two r k. Ho weve r, the  cre a tion o f   the sha r ed  key  i s  perfo rmed   with inte ra ctions bet wee n  the two  nod es. It me an s, method s  re quire  sendi n g  an d  re ceiving  multiple me ssage s on  both  side s b e fore t he  cre a ti on of  the key. To  save po we r no des that want  to sh are  a  secret an d th ose  intermed iate no de s,  several m e th ods have  be en p r op osed  to  remove the s e intera ction s . These meth ods a r e k n o w n in the field of cryptography as the ID- NIKDS [23] (Identity-Based  Non-Inte ra cti v e Key Distri bution Sch e m e ).     3.3.4. C4W  Jing  et  al. [24 ]  pro p o s ed  a   method  calle d  C4W  b a sed   on the use of the identity o f  nodes  to cal c ul ate p ublic keys. T he n ode s the m selve s  a r e   able to  calcul ate the  publi c   keys of oth e r  node s u s in g their id entities. What  could  repla c e th e role of a  ce rtificate. Before  deployme nt, the   node s  and  th e ba se  statio n a r e l oade d  with thei r  ow n keys  (p rivate / pu blic key ECC)  and  pu bli c   informatio n o n  the network nod es. Th e  C4W m e tho d  use s  the p r inci ple of Dif f ie-Hell m an  key  excha nge to  cre a te a sin g l e  sha r ed  key bet we en two  node s with ou t using certificates    3.4. Sy nthesis  We have  stu d ied differe nt types of distri bution an d  key establi s hment in WSN. The  diagram s SPINS and  LEAP use m a ster keys i n  the  key establi s hm ent. This  reduces the  storage  of key s  in  th e mem o ry  of  the no de s. Howeve r, th e  resi stan ce to   attacks i s  l o w. Given that  the  maste r   key can be  comp romise d at a n y  time, the keys e s tabli s h ed after the  deployme nt  by  usin g thi s   ke y can  be  co mpromi se d al so. By ad opti ng a  symm etric  syste m , th ey are  the  m o st  suitabl e and  among the m o st rapi d in terms of calcul ation. Note th at the symme tric diag ram s   are   co stly in ope rations  (if they exist) of ren e wal  and  rev o catio n  of ke ys sin c e th ey use  se cret keys   in ord e r to e x chan ge oth e r secret keys. The p r obl em is si mple r in the a s ymmetric  diag ram s   sin c e the pu b lic key s  do no t need to be secret.   The sch e me  Cha n  et al., Rep r e s entin g  prob abili stic  diagram s sh o w s th at con s umes l o w  power and  d o  not  re quire  mu ch  co mp uting  cap a cit y . However, l a rge   sizes ke y ring s  sto r e d  in  the memo ry node s befo r e depl oyme nt make s th is sche me  one of the most expen sive   symmetri c al schem es in terms of memo ry occu pati on.  It cannot resi st to attacks of type physical  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752      IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  431 –  451   438 node s  captu r es. While PIKE scheme  provides  better  con n e c tivity betwee n  net work nod es, b u t  it  shows low performance in term of scalability.    We  can  se e that the sch e m a TinyPBC  is the m o st  suitable of a s y mmetric patte rns. It is  resi stant  to m o st  kno w n  att a cks in  the  RCSF. Th e  fact o f  us in g th e  c o up lin g in   o r d e r  to  es ta b l is h   a uniqu e key  sha r ed  betwe en two no de s has h e lped  redu ce the ne ed for la rge  storage  ca pa city  in memo ry. In additio n , th e creatio n of  this  key i s  p e rform ed  wit hout inte ra ction bet wee n  t h e   node s,  whi c h  save s th e ti me of  cal c ula t ion, and  the  energy con s u m ed  due  to t hese inte ra ctions.   The di ag ram s  u s in g the  prin cipl e of  ce rtific ate s   and PKI  re main the  m o st exp e n s ive in   cal c ulatio n an d in ene rgy  consumption.  The  comp ari s on bet ween t he dia g ram s   symmetri c al  and  asymmet r ical  may differ  d epen ding  on  the de sired l e vel of securi ty in the net work.  We  not e in  the table of  compa r ison th at the symm e t ric di agrams can be cho s e n   for  thei r  tim e line ss and  t h e   asymmet r ic d i agra m s for th eir re si stan ce  again s t attacks.       4.   LEAP   Enh a nced   In the p r evio us  ch apters, i t  has be en t r i ed to  give  a  gene ral de scription  of so m e   of  the  state of the art algo rithm s  availabl e in the liter ature .  It can be concl ude d that sen s or n e twork  node s are mostly deplo y ed in una ttende d adversari al enviro n ment  for e x ample battlefield.   Therefore, it is extremely importa nt for the  applicati ons of many  sensor net works to have  a   se curity m e chani sm,  whi c h p r ovide  au thenticatio n  and  co nfiden tiality. The u n ique  issu e t hat  need s to b e   consi dered in   sen s o r  n e two r k  before  se le cting a  key sharin g ap pro a ch i s  it s imp a ct  on the  effe ctiveness  of in -network  pro c e ssi ng.  T h e  propo se d al gorithm  supp ort in -net wo rk  pro c e ssi ng a nd provid e secu rity prope rties si m ilar t o  those p r ovi ded by pairwise key sha r i n g   scheme s . Similar to leap + and oth e r proto c ol the  propo se d solution is al so based on  the  observation t hat different types of me ssage s exch an ged bet wee n  sen s or  node s have different  se curity re qui reme nts, whi c h lea d  us to  the co n c lu si on that a sin g le keyin g  m e ch ani sm is  not  suitabl e for  meeting the s e different  se curity r equi re ments. Li ke l eap + the p r o posed al gorit hm  sup port the e s tabli s hme n t of four differe nt types of ke ys:    Indiv i dual ke y :   Shared  wi th  t h e  b a s e  station    Pair w i se ke y :   Shared wi t h  another  se n s o r   node    Cluster key :   With  multiple  neighboring n odes  i t   i s   s har e d     Global ke y :   Shared b y   a ll nodes  in   the  network    4.1.  Assump tion In - T e r m o f   N e t w ork  an d   Securit y   The  f o l l o w i n g  important  a s sumptio n  has  been   mad e   w h i l e   studying and d e s i g n i n g  the  protocol    A    s t a t i c   s e n s o r  n e t w o r k   w h e r e  nodes  a r e   not   mobil e     The  ba se station  work a s   a  controlle r    T h e   p o w e r   supplied  to t h e   base s t a t i o n   i s  supplied   with long-la stin g  p o w e r     All nodes a r e  equal in  com putational a n d   communication capabilities   Every  node  h a s  enough s p a c e  t o   s t o r e   hundred  o f   bytes  of  k e y i n g   materials    N o d e s  i n s t a l la t i o n  c a n   b e   done  b o t h  e i t h e r   t h r o u g h   a e rial scatteri n g  physical  in stallation.    I n   a d v a n c e   T h e  i m m e d i a t e  neighboring   node s of   an y  senso r  nod e  are n o t   k n o w n     All  the information  a nod e hold s   be com e s  k n o w n   to the  attack er  If  it is  c o mpromis e d    Attacks  of  the  physical  l a y e r   and   media  acce ss   co ntrol layer  are   not  con s ide r ed     4.2. Ket Ma n a gemen t     4.2.1. Indiv i d u al Ke y   To  h a v e  secure  co mmuni cation  bet we en  the n ode  and   the   bas e   s t a t io n th is  k e y  is   use d . Every node   in  th e  n e twork  h a v e   its o w n  indivi dual k e y .  I n d i v i dual k e y   i s   a l s o  i m p o r t a n t   i n   the   se nse  that  i t   can  be  u s e d   t o  comp u t e  the me ssa g e   a u thenti c a t ion  code  if t h e   messag e  is   t o  be v e r i f i e d  by  the   base   station. This  can b e   also  used  t o   s e n d   alert  to the base   station if  there i s   any  abno rmal  be havior o b s e r v e d .   Base   station can  u s e  i ndividual key  to  encrypt any   sensitive   info rmation   s u c h   as keying  material   or speci a l in stru ctions  t o   individual n ode.  It  is   i m p o r t a n t  t o   mention th at  individual  k e y   i s  p r e l o a d e d   into  t h e  n e twork b e f o r e  deploymen t   [ 6 ] .   The   individ u a l key  is  gene rated  a s   f o l l o w s :     IKu =   fK m  (u)  (1)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     A Lightweig ht Sym m e tric Crypto graph y  Schem e for Identifyin g  …   (Yassi ne Mal e h)  439 W h er e  IKu  is the  individual k e y ,   f  is a  pseu do-ra nd om   func tion,  Km   is the  master k e y ,   and   u  is any node   f o r   which   w e  w a n t   to f i n d   individual  k e y .     4.2.2. Pair w i se Key s   Establishment  The mo st  important step  i s  t o  have pairwi s e key  bet wee n   nod es.  It  is  very  important   f r o m  the  security point  of  v i e w  as   if  t he  key  is co mpr o mise d  it s  ef f e ct   is lo cali ze d.  The p a i r w i s e   key i s   sh ared  bet wee n   one-h op  n e i ghbors. A   s e n s o r  no de   communi cat e s w i t h   it s  immediate  n e ighb or throu gh pairwi s e   k e y .  The  imp o rtant a s sum p tion ma de  t o   esta blish  p a ir   wis e   key s  a r e:     Nod e  doe sn 't kno w   it s nei ghbo r pai rwi s e key b e fore   depl oyment. Pairwi se  ke y  is  create d   after   depl oyment     T h e  nodes  o f  the  network  a r e   s t a t i o n a r y   node s     A node  that  is  add ed  t o   t h e   network  w ill d i s c o v e r   mo st  of its neighb ors  at  t h e   t i m e  of   deploymen t .   The pai rwi s e  i s   gen erated  by following th ese  step s:     4.2.2.1 Ke y  Predistribu t io n  An  initial  ke y  gene rated  b y  the controller is loa d ed to ea ch   node. Ea ch  n ode then   derive its   ma ster  key  as:     Ku =   fKin (u)  (2)     Whe r e  Ku  i s  the  ma ster ke y  gene rated   b y   the  nod e  u ,  f  is a   p s e udo -ra ndom fun c tion,  Kin  is  the  initial k e y ,   and  u  i s  any   node for  w h i c h  w e   w a n t   to  de rive the  ma ster  k e y .     4.2.2.2 Neigh bor Discov e ry  Every node tr y  to  find  its neighb or b y   bro a d c a s tin g  a  HELL O   message. This Hello  messag e  co ntains  id of   the  n ode. Also a   timer  is   s t arted  which  fires   after time Tmin. This  node  then   wait for  any  n ode  v whi c h  respon d tho  this  HE LLO with a n   a c k messag e  hav ing  the id of  the  node v. Ack  from  neigh bo r is   authenti c ated u s ing  m a ster key  kv.  The m a ste r   key  is derived   as:    Kv  =   fKin (v)  (3)     W h er e  Kv  is the  ma ster key of  node  v , f  is  a  pse udo-ra ndom   function,  ki n  is the  initial  key,   and  v  is any  node  that  wa nts  to   f i nd it s  mast e r  key .     4.2.2.3. Pairw i s e   Key  Establishment  An y  two  n ode s be tween   the  ne twork  le t s a y nod e  u  an d  v compu t e   the p a irwis e  k e y as :    K u v  = f K v ( u )  (4)     Where  kuv  is the pa irwise  key be tween  node  u  and  v ,  f  is a pseud o-random  fun c tio n ,  kv  is  th e   master  ke y o f   node ,  and   u  is   the  nod e  id  o f  an y nod e  u .    4.2.2.4. Ke y   Erasure   When the  timer exp i res  after Tmin , n ode  u  erases  Kin  and a ll  the mas t er k e ys o f  its   neighb or, wh ich was  comp uted  d u ring   th e ne ighb or  dis c over y phase .     4.2.3. Cluste r Ke y s  Establishment  Clu s ter key  i s  e s tabli s h e d  between a n ode an d  all its   nei ghb ors. Usi ng clu s ter  k e y   a  node e n cryp t broad ca st   messag e.  To  esta blish th e  clu s te r k e y   any  node  u  gen erate   a   rand om  key and  then   en crypt  this ran d o m key  w i t h   the   pai rwise  key already gene rated.  T hen  t h e  generate d  c l u s t e r   key  is transmitte d  t o  each  neighbo rs.     4.2.4. Global Ke y   Establishment  A key sh ared  by the ba se  station a nd e v ery  node i s  t he glo bal key. It is importa nt and i s   use d  wh en th e base statio n (co n troll e r) w ant to gen erate a confid e n tial messag e.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752      IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  431 –  451   440 4.3. The Proposed Mod e ls for Identi f y ing Compro mised Node   The criti c al  a s sumption  th at  leap+  h a s  con s id ere d   is that   within  T m in a  node cannot  be   compromi sed. This  i dea  s e e m s   pra c tical but  only  i n   an  extrem e  ide a l con d i tion.  There is   possibility  th at Tmin  w o u l d  in  re ality  b e  g r e a t e r  than the  one   a s sumed.  A s  an example  if  node s a r e  d r oppe d and   s c a t t e r e d   from  airplan e s,  th e  scattered  node s m a y   a rrive i n   different   parts  of the  n e t w o r k   at di fferent time s  even   if  d r o p p e d   simultan eou sly and  h ence  will  n e e d   s o m e   time to s e tup t h e   n e twork an d e x chan ge  pai rwise  k e y .  Taking t h e   adva n tage  of   t h i s  an  adversa ry  ma y observe  a  node an d  o b tains  the   key and   if the  gl obal k e y  is compromised,   the  w h o l e   network  be com e s at   risk. Sin c e th is i s  a  very   se riou s th reat to  se cu rity different al go rithm s   has b een  stu d ied an d pro posed a mo d e l that det ect  the com p ro mi sed n ode a n d  take ne ce ssary  action to  del ete the comp romi sed  nod e from the  n e tw ork [25] [ 26] [27] [28] [29]. Some o f  the   algorith m s av ailable in literature to dete c t compromise  node s are:     Dete cting Co mpromi se d Node s in Wi rel e ss Se n s o r  Network by  Rick M c ken z i e , Min so ng,  Mary  Mat h e w s,  sa chin  shet t y ,    A Frame w o r k for identifying Com p ro mised No de s in  sen s o r  Network  by Qing  Zhang, Tin g   Yu, Peng Nin g     Malicio us No de  Dete ction in  wirele ss se nso r   Ne two r ks usi ng by Idris M.Atakli, Hongbi ng Hu,   Yu chen     Senso r  Node  Comp romi se  Dete ction, Th e locatio n  Perspe ctive by Hui son g  and li ang xie     4.3.1. 1 st  Proposed Mod e l for Identify ing Compro mised Node   A time call ed  Tp h a s  bee n  cho s e n  a nd  run it ite r ative l y after a  ce rtain pe rio d  of  time to   che c k if the r e is any  no de  com p ro mised. It  ca n  be  run  directly after pai rwise  keys a r e   excha nge d a nd the nod es start co mmu nicatio n   so t hat to be su re, that none  of the node i s   comp romi se d  and the  net work  ha s succe ssfully ex chang ed all th e key s   se curely. The ste p s  to  do the tasks  woul d be [30] .    Step 1: Perio d ic check  fo r node detec t ion   An iterative-p e riodi c PERI O DIC-CHE C K (T p) ro utin e has be en run on every  node to   che c k if it is unde r atta ck o r  not. Du ration  of  "Tp "  is the trad eoff of the "Compl exity" and   "Attacke r Threat". In the forme r  case Tp co uld  be  increa sed t o  so a s  to  minimize ove r  all   netwo rk com p lexity in terms of  pa cket  excha nge. In   the later case , Attacke r T h reat, Tp  coul d  be   minimized to have more freque nt che cks on Node  co mpen sation.   No w su ppo se  a node i s   co mpromi se d e x actly after the CHECK pe riod just fini sh ed, that  is "Tp+t" In this ca se rather than to wait fo r the next period (t =2Tp  s uppo se ), the node itself se nd  a Hel p  b r oad ca st me ssag e. The b a se  station  re ceive the hel p b r oad ca st me ssag e an d take the  necessa ry action explai ne d in the next step.     Step 2: Sus p ension of  th e compromised node   Upo n  Re cepti on of the HELP from the node  un de r attack, the Base Station broad ca sts  an ALE R T m e ssag e. The   alert m e ssa g e  contain s   id  of the  sen d e r of th e  HELP (i.e the  n ode  unde r attack,  which ha s b een na med  as "in_ dan ge r_id").  Nod e s receiving AL ERT me ssag e,  insp ect s  for  the "in_dan g e r_id" a nd then compa r e s  with the t he list of IDs present in  its   NEIGHBO R   LIST. If a ma tch i s  th ere,   node  del et es the  pairwi s e  key  already  establi s h ed  with   that node. If no-m a tch i s  found, no de j u st ke ep s th i s  id for a  sp ecified a m ou nt of time, and   w h en e v e r  in itia te s  PAIR - W I SE k e y exc h a n g e  pr oc es s ,   c o mpar e s  th is   k e y in  o r de r  not  t o   establi s h  any  pai r-wise  ke y with  a n o d e  that i s   i n fe cted. In  Figu re 5,  we  p r esent the  propo sed   model for the  detectio n  of compromised  node.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.