[論文レビュー] Making Evildoers Pay: Resource-Competitive Broadcast in Sensor Networks

Seth Gilbert, Maxwell Young|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2012

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks参考文献 23被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、信頼できる送信者アリスが、敵対的攻撃者カロルがf·nのByzantineデバイスを制御する中で、少なくとも(1−ε)nの正常ノードにメッセージをブロードキャストするリソース競合性のあるブロードキャストプロトコルを提示する。プロトコルは、カロルがT単位のエネルギーをジャミングに費やす場合、アリスと正常ノード各々がのみÕ(T^{1/(k+1)})のエネルギーを消費することを保証し、敵対的攻撃者がリソースを急速に枯渇させるように強制する。

ABSTRACT

Consider a time-slotted, single-hop, wireless sensor network (WSN) consisting of n correct devices and and t=f*n Byzantine devices where f>=0 is any constant; that is, the Byzantine devices may outnumber the correct ones. There exists a trusted sender Alice who wishes to deliver a message m over a single channel to the correct devices. There also exists a malicious user Carol who controls the t Byzantine devices and uses them to disrupt the communication channel. For a constant k>=2, the correct and Byzantine devices each possess a meager energy budget of O(n^{1/k}), Alice and Carol each possess a limited budget of ilde{O}(n^{1/k}), and sending or listening in a slot incurs unit cost. This general setup captures the inherent challenges of guaranteeing communication despite scarce resources and attacks on the network. Given this Alice versus Carol scenario, we ask: Is communication of m feasible and, if so, at what cost? We develop a protocol which, for an arbitrarily small constant ε>0, ensures that at least (1-ε)n correct devices receive m with high probability. Furthermore, if Carol's devices expend T energy jamming the channel, then Alice and the correct devices each spend only ilde{O}(T^{1/(k+1)}). In other words, delaying the transmission of m forces a jammer to rapidly deplete its energy supply and, consequently, cease attacks on the network.

研究の動機と目的

• リソース制約とByzantineジャミングの下で、密度の高い無線センサーネットワークにおける信頼性の高いメッセージ配信の課題に対処すること。
• 最大Θ(n)のデバイスを制御する敵対的攻撃者に対しても、(1−ε)の割合の正常ノードにメッセージ配信を保証するプロトコルを設計すること。
• 敵対的攻撃者のエネルギー消費が正常ノードの消費よりも著しく速く増加するように保証することで、リソース競合性を達成すること。
• 外部のノイズ源に依存せずに、ネットワーク活動に基づいて戦略を適応させるリアクティブジャミングに対しても通信を可能にすること。

提案手法

• チャネル使用状況を検出するためのチャネル状態評価（CCA）を備えた、タイムスロット型で単一ホップのTDMAに類似したMACプロトコルを使用する。
• 各フェーズの期間が倍増する多段階ブロードキャストプロトコルを設計し、確率的送信および受信戦略を用いる。
• エネルギー消費とジャミングに対する耐性のトレードオフを制御するための調整可能なパラメータk ≥ 2を導入する。
• 適応的ジャミング下でも、少なくとも(1−ε)nの正常ノードがメッセージを受信する確率が高くなるように、確率的解析を適用する。
• nとln nの定数係数近似を組み込んだ変更版のε-Broadcastプロトコルを導入し、グローバル知識への依存を低減する。
• 敵対的攻撃者のジャミングエネルギーTを基準に、正常ノードおよびアリスの総コストをÕ(T^{1/(k+1)} + 1)に制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Θ(n)のByzantineデバイスと限られたエネルギー予算の下で、密度の高い無線センサーネットワークにおいて信頼性の高いブロードキャストを達成できるか？
• RQ2 敵対的ジャミング下で、(1−ε)の割合のノードにメッセージ配信を保証するための正常ノードの最小エネルギー消費コストは何か？
• RQ3 敵対的攻撃者がネットワーク動作に基づいて戦略を適応させるリアクティブジャミングに対しても、プロトコルは効果を保つことができるか？
• RQ4 リソース競合性の設定下で、敵対的攻撃者のエネルギー消費は正常ノードの消費に対してどのようにスケーリングされるか？
• RQ5 グローバル知識を必要とせず、ネットワークサイズと対数項の定数係数近似のみでプロトコルが動作可能か？

主な発見

• 任意の十分に小さなε > 0に対して、高確率で少なくとも(1−ε)nの正常ノードがメッセージを受信することが保証される。
• 敵対的攻撃者がTスロットにわたりジャミングする場合、アリスおよび各正常ノードの個々のエネルギー消費はÕ(T^{1/(k+1)} + 1)である。ここでk ≥ 2である。
• 敵対的攻撃者がリアクティブである場合でも、f < 1/24（つまりByzantineデバイスがネットワークの少数派である）であれば、プロトコルは効果を保つ。
• 正常ノードおよびアリスはO(n^{1 + 1/k})スロット以内に終了し、メッセージ配信の遅延が有界であることが保証される。
• nとln nの定数係数近似のみでプロトコルが動作するため、グローバル知識が不要であり、実世界の展開に実用的である。
• 正常ノードのエネルギー消費は、敵対的攻撃者の消費に対して非線形に増加するため、強いリソース競合性が確立される。