Abstract The research of early ad hoc-like networks, namely multi-hop packet radio networks, was mainly concentrated on lower layers (below network layer). Interestingly, the research of modern ad hoc networks has been mainly restricted to routing protocols. This is understandable, since routing is very challenging in such dynamic networks, but the drawback is that the lower layer models used in the studies are often highly simplified, giving inaccurate or even incorrect results. In addition, modern ad hoc network solutions are usually suboptimal because lower layers, not designed especially for ad hoc networking, are used. Thus, ad hoc networking performance, in general, can be notably enhanced by considering also the design of lower layers. The simple deployment and robustness make wireless ad hoc networks attractive for several applications (e.g., military, public authority, peer-to-peer civilian, and sensor networking), but the performance of the current solutions is typically not adequate. The focus of this work is on the effects of lower layer functionalities on the performance of ad hoc networks, while also taking into account the effects of upper layers (e.g., the effect of application traffic models). A CDMA (Code Division Multiple Access) based dual channel flat ad hoc network solution, incorporating cross-layering between all three lowest layers, is proposed and analyzed. The main element of this is the Bi-Code Channel Access (BCCA) method, in which a common code channel is used for broadcast information (e.g., route discovery), while a receiver-specific code channel is used for all directed transmissions. In addition, a new MAC (Medium Access Control) solution designed for BCCA is presented. Moreover, a novel network layer spreading code distribution (NSCD) method is presented. The advantage of these methods is that they are designed especially to be used in ad hoc networks. With an extensive set of case studies, it is shown that the presented methods outperform the typically used ad hoc network solutions (based on IEEE 802.11) in different kind of scenarios, environments, modeling concepts, and with different parameters. Detailed simulations are carried out in order to analyze the effects of different features at the lower layers, finding also interesting phenomena and dependencies between different layers. It is also shown that close attention should be paid to lower layer modeling even though the overall network performance would be in focus. In addition, various interesting features and behavior models regarding ad hoc networking are brought up. / Tiivistelmä Ensimmäiset tutkimukset rakenteettomista (ad hoc) verkoista esiintyivät nimellä monihyppypakettiradioverkot, ja ne koskivat pääasiassa verkkokerroksen alapuolella olevia tietoliikennekerroksia, mutta nykyiset tutkimukset ovat kuitenkin keskittyneet pääasiassa reititysprotokolliin. Tämä on sikäli ymmärrettävää, että reititys on hyvin haasteellista tämän tyyppisissä dynaamisissa verkoissa, mutta ongelma on, että käytetyt alempien kerrosten mallit ovat usein hyvinkin yksinkertaistettuja, mikä voi johtaa epätarkkoihin tai jopa vääriin tuloksiin. Tämän lisäksi nykyiset ehdotetut rakenteettomien verkkojen ratkaisut ovat usein tehottomia, sillä käytettyjä alempien kerrosten ratkaisuja ei ole tarkoitettu tällaisiin verkkoihin. Niinpä rakenteettomien verkkojen suorituskykyä voidaan parantaa huomattavasti kiinnittämällä huomiota alempien kerrosten suunnitteluun. Verkkojen rakenteettomuus on ajatuksena houkutteleva useissa käyttökohteissa (esimerkiksi sotilasympäristössä, viranomaiskäytössä, käyttäjien välisissä suorissa yhteyksissä ja sensoriverkoissa), mutta suorituskyky ei useinkaan ole riittävällä tasolla käytännön sovelluksiin. Työssä tutkitaan pääasiassa alempien kerrosten toiminnallisuuden vaikutusta rakenteettomien verkkojen suorituskykyyn ottaen huomioon myös ylemmät kerrokset, kuten sovellustason mallit. Työssä esitellään ja analysoidaan koodijakomonikäyttöön (CDMA, Code Division Multiple Access) perustuva kaksikanavainen tasaisen rakenteettoman verkon ratkaisu, jossa hyödynnetään kaikkien kolmen alimman kerroksen välistä keskinäistä viestintää. Ratkaisun ydin on BCCA-menetelmä (Bi-Code Channel Access), jossa käytetään kahta kanavaa tiedonsiirtoon. Yksi kanava on tarkoitettu kaikille yhteiseksi kontrollikanavaksi (esimerkiksi reitinmuodostus voi käyttää tätä kanavaa), kun taas toinen kanava on käyttäjäkohtainen kanava, jota käytetään suoraan viestittämiseen kyseiselle käyttäjälle (varsinainen data yms.). Tämän lisäksi esitellään myös BCCA-menetelmää varten suunniteltu kanavakontrollimenetelmä sekä verkkotasolla toimiva hajotuskooditiedon jakamiseen tarkoitettu menetelmä. Näiden uusien menetelmien etu on se, että ne on suunniteltu nimenomaan rakenteettomiin verkkoihin. Kattavan testivalikoiman avulla osoitetaan, että esitetty uusi ratkaisu peittoaa tyypilliset IEEE 802.11 -standardiin pohjautuvat rakenteettomien verkkojen ratkaisut. Testeissä käytetään erityyppisiä verkkorakenteita, ympäristöjä, mallinnusmenetelmiä ja parametreja. Yksityiskohtaisissa simuloinneissa ajetaan eri testitapauksia ja selvitetään, miten alempien kerrosten eri menetelmät missäkin tapauksessa vaikuttavat suorituskykyyn. Alempien kerrosten mallinnuksessa on syytä olla tarkkana, sillä työssä käy ilmi, että mallinnusvirheillä voi olla suurikin vaikutus myös ylempien kerrosten suorituskykyyn. Työ myös paljastaa useita mielenkiintoisia ilmiöitä ja vuorovaikutussuhteita, jotka liittyvät tutkittujen menetelmien ja yleisesti rakenteettomien verkkojen toimintaan.

Abstract The worldwide success of wireless communications was originally fueled by the possibility to replace existing cables with wireless solutions. This phenomenon imposed the development of security engineering as a multidisciplinary field. Although wireless solutions can reduce installation costs and allow introducing new services, the end–users expect it to have the same level of security as they would normally have with wired solutions. Secure communications is an important part of the overall security of industrial wireless communications systems (IWCS). The aim of this thesis is to develop new security engineering methodologies for IWCS. The author develops countermeasures against confidentiality and integrity attacks and carries out a security analysis covering the protocol, electromagnetic and physical layer. In the first part of the thesis, Host Identity Protocol (HIP) is utilized to secure communication in an intra–vehicular network. Simulations and measurement campaigns are also conducted to evaluate the impact of the overhead on security in a tunnel, considering line–of–sight (LOS) and non–LOS (NLOS) scenarios. Electromagnetic analysis (EMA) is an important step in the development of safety–related systems. Today, the increasing usage of smaller integrated circuit also increases the susceptibility to electromagnetic (EM) interference. From near–field (NF) to far–field (FF) transformation, a method for the evaluation of the emissions leakage is investigated. The virtual EM (VEM) interface of the device–under–test (DUT) is studied, and it is described how an adversary can exploit it for denial of service (DoS) attacks. An effective jamming attack model is studied, and the theoretical calculations are validated with experiment–based results. Finally, focusing attention on physical layer security, two algorithms are developed. Active radio frequency fingerprinting (RFF) implements the exchange of a public key during the setup of secure communication. Afterwards, utilizing a jamming receiver in conjunction with the spread spectrum (SS) watermarking technique, the watermark–based blind physical layer security (WBPLSec) protocol is presented. The analysis and results indicate how the WBPLSec seems to be a valuable technique for deploying physical layer security by creating a secure region around the receiver. / Tiivistelmä Langattoman tietoliikenteen maailmanlaajuista suosiota kiihdytti alun perin mahdollisuus korvata tietoliikennejärjestelmissä käytetyt kaapelit langattomilla ratkaisuilla. Ilmiö lisäsi myös tarvetta kehittää alan turvatekniikkaa monialaisen tutkimuksen pohjalta. Vaikka langattomat ratkaisut merkitsevät pienempiä asennuskustannuksia ja tarjoavat mahdollisuuksia luoda uudenlaisia palveluja, järjestelmien loppukäyttäjät edellyttävät kuitenkin niiden turvallisuuden olevan vastaavalla tasolla kuin langallisissa verkoissa. Myös teollisuuden langattomien tietoliikennejärjestelmen turvallisuus riippuu pitkälti viestintäkanavien turvallisuudesta. Väitöksen tavoitteena on kehittää uusia menetelmiä, joilla teollisuuden langattomat tietoliikennejärjestelmät voitaisiin turvata. Väitöksessä kehitetään toimenpiteitä tietoliikennejärjestelmien luottamuksellisuuteen ja koskemattomuuteen kohdistuvia hyökkäyksiä vastaan ja toteutetaan turvallisuusarviointi, joka kattaa järjestelmän protokollakerroksen sekä sähkömagneettisen ja fyysisen kerroksen. Väitöksen ensimmäisessä osassa hyödynnetään HIP–protokollaa (Host Identity Protocol) liikennevälineen sisäisen tietoliikennejärjestelmän turvallisuuden varmistamisessa. Lisäksi siinä kuvataan simulaatiot ja mittaushankkeet, joiden tavoitteena on arvioida käytetyn protokollan turvallisuusvaikutuksia esteettömän (line–of–sight, LOS) ja esteellisen (non–line–of–sight, NLOS) näköyhteyden tapauksissa. Sähkömagneettinen analyysi on tärkeä vaihe turvajärjestelmien kehitysprosessissa. Järjestelmissä käytetään yhä enemmän pieniä integroituja piirejä, mikä voi myös altistaa ne sähkömagneettisille (electromagnetic, EM) häiriöille. Väitöksessä tutkitaan lähikenttä–kaukokenttä -muunnokseen perustuvan arviointimenetelmän avulla sähkömagneettisen vuotosäteilyn tasoa. Lisäksi perehdytään testattavan laitteen (device under test, DUT) virtuaaliseen EM–liitäntään ja kuvataan, miten vastaavaa liitäntää voidaan hyödyntää palvelunestohyökkäyksissä. Väitöksessä tutkitaan myös tehokasta häirintämallia ja validoidaan teoreettisten laskelmien tulokset kokeellisesti. Lopuksi väitöksessä keskitytään tietoliikennejärjestelmän fyysisen kerroksen turvallisuuteen ja kehitetään kaksi algoritmia. Aktiivisen radiotaajuisen tunnistusmenetelmän avulla voidaan vaihtaa julkisia avaimia turvallista tietoliikenneyhteyttä muodostettaessa. Lisäksi esitellään vesileimausmenetelmään perustuva fyysisen kerroksen salausmenetelmä, WBPLSec. WBPLSec luo vastaanottimen ympärille suoja–alueen, minkä ansiosta se vaikuttaa analyysin ja tutkimustulosten perusteella olevan tehokas menetelmä toteuttaa fyysisen kerroksen suojaus.