In March 2000, 1 million litres of raw sewage was released into the water system of Maroochy Shire on Queensland’s sunshine coast. This environmental disaster was caused by a disgruntled ex-contractor using a radio transmitter to illicitly access the electronically controlled pumps in the control system. In 2007 CNN screened video footage of an experimental attack against a electrical generator. The attack caused the generator to shake and smoke, visually showing the damage caused by cyber attack. These attacks highlight the importance of securing the control systems which our critical infrastructures depend on. This thesis addresses securing control systems, focusing on securing the communications for supervisory control and data acquisition (SCADA) systems. We review the architectures of SCADA systems and produce a list of the system constraints that relate to securing these systems. With these constraints in mind, we survey both the existing work in information and SCADA security, observing the need to investigate further the problem of secure communications for SCADA systems. We then present risk modelling techniques, and model the risk in a simple SCADA system, using the ISM, a software tool for modelling information security risk. In modelling the risk, we verify the hypothesis that securing the communications channel is an essential part of an effective security strategy for SCADA systems. After looking at risk modelling, and establishing the value of securing communications, we move on to key management for SCADA systems. Appropriate key management techniques are a crucial part of secure communications, and form an important part of the contributions made in this work. We present a key management protocol that has been designed to run under the constraints specific to SCADA systems. A reductionist security proof is developed for a simplified version of the protocol, showing it is secure in the Bellare Rogaway model.

No / Information security has been a critical issue in the design and development of reliable distributed communication systems and has attracted significant research efforts. A challenging task is how to maintain information security at a high level for multiple-destination video applications with the huge volume of data and dynamic property of clients. This paper proposes a novel Content-Aware Secure Multicast (CASM) protocol for video distribution that seamlessly integrates three important modules: 1) a scalable light-weight algorithm for group key management; 2) a content-aware key embedding algorithm that can make video quality distortion imperceptible and is reliable for clients to detect embedded keys; and 3) a smart two-level video encryption algorithm that can selectively encrypt a small set of video data only, and yet ensure the video as well as the embedded keys unrecognizable without a genuine key. The implementation of the CASM protocol is independent of the underlying multicast mechanism and is fully compatible with existing coding standards. Performance evaluation studies built upon a CASM prototype have demonstrated that CASM is highly robust and scalable in dynamic multicast environments. Moreover, it ensures secure distribution of key and video data with minimized communication and computation overheads. The proposed content-aware key embedding and encryption algorithms are fast enough to support real-time video multicasting.

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internetfähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird.

Att skydda sin data idag kommer med flera utmaningar då lösenord som enda autentiseringsmetod är otillräcklig. Lösenord är ofta användarvänliga, enkla att hålla koll på och är utan kostnad för användaren. Det går alltid att göra lösenord säkrare men det upplevs ofta som svårhanterligt. I stället för detta kan man även använda ytterligare autentiseringsmetod. Många sidor och tjänster använder idag så kallad två- eller flerfaktorsautentisering genom t.ex. BankID eller säkerhetsnycklar. Med all ny teknik följer nya säkerhetsaspekter att ta hänsyn till, speciellt om denna teknik lämnar efter sig spår som kan utnyttjas av t.ex. hackare. Arbetets syfte är att undersöka spårbara artefakter som är kopplade till de fysiska säkerhetsnycklarna Solo 1 och YubiKey 5 NFC i Windows Registret i Windows 10 Pro N, samt utvärdera om tidigare kända sårbarheter kan bidra till insikter om säkerhetsnycklars säkerhet. Detta genomförs med hjälp av två kvalitativa metoder, dels genom en kartläggning av sårbarheter, dels genom ett experiment. Baserat på de funna sårbarheterna som har hittats så går det inte att säga huruvida de säkerhetsnycklarna skiljer sig i säkerhetsnivå, men det är tydligt att det främst är i firmware och mjukvara där sårbarheterna finns. Huruvida den ena säkerhetsnyckeln är säkrare än den andra går inte att fastställa, samt om en öppen källkod har någon betydelse vad gäller säkerhet. Dessutom går det att konstatera att spårbara artefakter från en säkerhetsnyckel kan hittas i ett Windows operativsystem. Baserat på de funna sårbarheterna som har hittats så går det inte att säga huruvida de säkerhetnycklarna skiljer sig i säkerhetsnivå, men det är tydligt att det främst är i firmware och mjukvara där sårbarheterna finns. Huruvida den ena säkerhets-nyckeln är säkrare än den andra går inte att fastställa, samt om öppen källkod har någon betydelse vad gäller säkerhet. Dessutom går det att konstatera att spår-bara artefakter från en säkerhetsnyckel kan hittas i ett Windows operativsystem. / Protecting your data today comes with several challenges since a password as the only authentication method is insufficient. Passwords are often user-friendly, easy to keep track of, and at no cost for the user. Passwords can always be made more secure, but this task is often perceived as tedious. Instead, additional authentication methods may be used. Many sites and services today use so-called two- or multifactor authentication, e.g. BankID (a type of eID) or security keys. all new technology comes with unique security aspects to consider, especially if this technology leaves behind traces that can be exploited by, e.g., hackers. This study aims to investigate traceable artifacts associated with the physical security key Solo 1 and YubiKey 5 NFC in the Windows Registry in Windows 10 Pro N and to evaluate whether previously known vulnerabilities can contribute to insights into security key security. The study uses two qualitative methods, one mapping out the vulnerabilities and another through an experiment. Based on the vulnerabilities that was found, it is not possible to conclude whether the security keys differ in security level. Still, it is mainly in the firmware and software where the vulnerabilities exist. Whether one security key is more secure than the other is inconclusive, and whether open-source code has any implications regarding security. In addition, it is ascertained that traceable artifacts from a security key can be found in a Windows operating system.

This thesis deals with the security of wireless sensor networks, mainly of the industrial standard ZigBee. The aim of the work is to familiarize with the 802.15.4 standard and the ZigBee technology, especially with present methods of security in this field. I have also analysed the requirements for the security of this technology. Further aim of this work is the introduction of the ZigBee kit and description of the Microchip's ZigBee stack. Analysis of the stack is connected with practical test of security functions in the ZigBee laboratory.