Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το θέμα των κατανεμημένων επιθέσεων άρνησης υπηρεσιών στο Διαδίκτυο. Αναλύει τα υπάρχοντα συστήματα αντιμετώπισης και τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται για την εξαπόλυση τέτοιου είδους επιθέσεων. Μελετά τον τρόπο που οργανώνονται οι επιθέσεις και παρουσιάζει την αρχιτεκτονική και την υλοποίηση ενός πρωτότυπου συστήματος ανίχνευσης των πηγών μιας κατανεμημένης επίθεσης άρνησης υπηρεσιών, καθώς και αντιμετώπισης των επιθέσεων αυτών. Τέλος, ασχολείται με το θέμα της ανεπιθύμητης αλληλογραφίας ως μιας διαφορετικού είδους επίθεση άρνησης υπηρεσιών και προτείνει ένα πρωτότυπο τρόπο αντιμετώπισής της. / In our thesis we deal with the issue of Distributed Denial of Service attacks on the Internet. We analyze the current defense methodologies and the tools that are used to unleash this type of attacks. We study the way that those attacks are constructed and organized and present a novel architecture, and its implementation details, of a system that is able to trace back to the true sources of such an attack as well as effectively filter such attacks in real time. Lastly we deal with the issue of spam e-mail as a different form of a distributed denial of service attack and propose a novel methodology that deals with the problem.

Τα Wireless Sensor Networks (WSNs) είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία, της οποίας η σημαντικότητα έχει αναγνωριστεί από την επιστημονική κοινότητα και έχει προοπτικές για εφαρμογή σε πολλές περιπτώσεις που απαιτείται επίβλεψη και έλεγχος σε μεγάλες εκτάσεις, όπως ο έλεγχος καλής λειτουργίας κτηρίων και κατασκευών, παρακολούθηση στρατιωτικών περιοχών, παρακολούθηση και έλεγχος καλλιεργειών ή ακόμα και επίβλεψη της υγείας ενός ασθενούς. Είναι προφανές πως σε πολλά από αυτά τα σενάρια εφαρμογών τα δεδομένα που αποκτώνται και ανταλλάσσονται μέσα σε αυτά τα δίκτυα είναι ευαίσθητα και η απόκρυψή τους από τρίτους, καθώς και η αποτροπή προσθήκης ψευδών δεδομένων από τρίτους είναι υψίστης σημασίας. Καθώς όμως τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από χαμηλής υπολογιστικής δυνατότητας κόμβους, (τόσο λόγω οικονομίας, ώστε, δεδομένου του αριθμού των κόμβων που απαιτούνται για τέτοιες εφαρμογές, το κόστος να κρατηθεί σε λογικά επίπεδα, όσο και για λόγους κατανάλωσης ενέργειας) απαιτείται η χρήση αλγορίθμων ασφαλείας μικρών υπολογιστικών και επικοινωνιακών απαιτήσεων. Για την επίτευξη ασφαλούς επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων με μικρή υπολογιστική επιβάρυνση, υλοποιούνται συμμετρικοί αλγόριθμοι κρυπτογραφίας, και για τη διαχείριση των κλειδιών κρυπτογραφίας το πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιών S2RP, το οποίο καθορίζει μεθόδους διανομής, αλλά και ακύρωσης συμμετρικών κλειδιών. Το πρωτόκολλο αυτό μπορεί να διατηρήσει προς τα εμπρός και προς τα πίσω ασφάλεια (ασφάλεια των μελλοντικών μεταδόσεων, και ασφάλεια των δεδομένων που έχουν ήδη μεταδοθεί αντίστοιχα) των δεδομένων σε δυναμικά μεταβαλλόμενες τοπολογίες (πχ. πρόσθεση νέου κόμβου ή ανακάλυψη εκτεθειμένου κόμβου που πρέπει να αφαιρεθεί από την τοπολογία). Στο πλαίσιο της εργασίας, έγινε υλοποίηση του πρωτοκόλλου S2RP, καθώς και κρυπτογραφικών αλγορίθμων που απαιτούνται για την εφαρμογή του. Η υλοποίηση έγινε αρχικά σε ένα γραφικό περιβάλλον εξομοίωσης, που δημιουργήθηκε για τον έλεγχο του πρωτοκόλλου σε επίπεδο πακέτου, ενώ στη συνέχεια έγινε μεταφορά του πρωτοκόλλου σε δίκτυο από ασύρματους αισθητήρες TelosB. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are a relatively new technology, the importance of which is widely recognized in academia. They have great potential for use in applications requiring monitoring and control over large areas, like integrity and operational monitoring of buildings and structures, military surveillance, crop monitoring or even health monitoring. It is obvious that the data transfered in most of these applications are of a sensitive nature, and preventing a third party from accessing that data, or injecting its own forged data in the network is of utmost importance. However, because of the low computational power and network performance of these networks' nodes (which is due to economic reasons - so as to keep cost in reasonable levels in high node count networks, as well as for energy consumption reasons), the use of algorithms and protocols of low computational and communication requirements is mandatory. To achieve secure communication between the nodes of a such network, we implement symmetric key cryptographic algorithms, and the protocol S2RP (Secure and Scalable Rekeying Protocol) for key management. S2RP defines procedures for key distribution and revocation, with the use of which it can maintain forward and backward communication security (e.g. connection of a new node, or discovery of an exposed node, which must be removed) for dynamic network topologies. For the purpose of this thesis, we implemented the S2RP protocol, as well as the additional cryptographic primitives that are needed to achieve secure communication in a network. The implementation was initially made within a graphical simulator, which we implemented to test the protocol in the packet level. Finally, we ported the protocol to a network of TelosB motes.

Στην διδακτορική διατριβή αναπτύξαμε μοντέλα για την ασυνήθη δικτυακή κυκλοφορία βασισμένη σε χαρακτηριστικά της TCP/IP επικοινωνίας ανάμεσα σε υπολογιστικά συστήματα, αλλά και στην συμπεριφορά συστημάτων και χρηστών κάτω από επιθέσεις ιών και δικτυακών σκουληκιών. Για την ανάπτυξη συνδυάσαμε το μαθηματικό φορμαλισμό πάνω σε πραγματικά χαρακτηριστικά που εντοπίσαμε πως υπάρχουν σχεδόν σε όλες τις προσπάθειες επίθεσης προς υπολογιστικά και δικτυακά συστήματα από προσπάθειες επιτιθέμενων, αλλά και με αυτοματοποιημένα συστήματα μετάδοσης ιών. Υλοποιήσαμε ένα πραγματικό κατανεμημένο σύστημα έγκαιρης και έγκυρης προειδοποίησης και λήψης άμεσων μέτρων για την προστασία δικτύων υπολογιστών από τη διάδοση των ιών και από τις διαρκώς εξελισσόμενες επιθέσεις των hackers. Τέλος η αυξανόμενη παρουσία δυνατοτήτων για fast worms μας παρακίνησε να μοντελοποιήσουμε την συμπεριφορά ιών που μεταδίδονται μέσα από τα κοινωνικά δίκτυα που σχηματίζονται από τον κατάλογο που έχουν οι χρήστες για γνωστούς και φίλους σε e-mail και Instant Messaging. Προτείνουμε λοιπόν δύο μοντέλα: ένα μοντέλο που περιγράφει την συμπεριφορά fast worms βασισμένα σε κοινωνικά δίκτυα στηριζόμενοι στο μαθηματικό μοντέλο σε Constraint Satisfaction Problems (CSP), αλλά και ένα μοντέλο για τη μετάδοση ιών και την εξουδετέρωσή τους, που λαμβάνει υπόψη την δικτυακή κίνηση και την λειτουργία των εξυπηρετητών βασισμένοι στο M/M/1 μοντέλο ουρών. Στην διατριβή προτείνουμε ένα είδος διαδραστικότητας ανάμεσα στους antivirus Agents και τους ιούς και αναλύουμε ένα μαθηματικό μοντέλο για την διάδοση πληθυσμού ιών και antivirus βασισμένα σε θεωρίες ουρών. / In this PhD Thesis we developed models for the abnormal network traffic based on TCP/IP communication protocol of computer systems, and the behavior of systems and users under viruses and worms attacks. For the development we combined mathematical formalism on real attributes that characterize almost all attacking efforts of hackers, virus and worms against computers and networking systems. Our main goal was based upon the theoretic models we proposed, to provide a useful tool to deal with intrusions. Thus we developed a Software Tool for Distributed Intrusion Detection in Computer Networks. Based on an improved model we produced a real time distributed detection system for early warning administrators of worm and virus propagation and hackers’ attacks. Also in this work we propose a discrete worm rapid propagation model based on social networks that are built using the address book of e-mail and instant messaging clients using the mathematic formalism of Constraint Satisfaction Problems (CSP). The address book, which reflects the acquaintance profiles of people, is used as a “hit-list”, to which the worm can send itself in order to spread fast. We also model user reaction against infected email as well as the rate at which antivirus software is installed. We then propose a worm propagation formulation based on a token propagation algorithm, further analyzed with a use of a system of continuous differential equations, as dictated by Wormald’s theorem on approximating “well-behaving” random processes with deterministic functions. Finally in this work we present a virus propagation and elimination model that takes into account the traffic and server characteristics of the network computers. This model partitions the network nodes into perimeter and non-perimeter nodes. Incoming/outgoing traffic of the network passes through the perimeter of the network, where the perimeter is defined as the set of the servers which are connected directly to the internet. All network nodes are assumed to process tasks based on the M/M/1 queuing model. We study burst intrusions (e.g. Denial of Service Attacks) at the network perimeter and we propose a kind of interaction between these agents that results using the formalism of distribution of network tasks for Jackson open networks of queues.