Abstract The concept of the Internet of Things (IoT) is driven by advancements of the Internet with the interconnection of heterogeneous smart objects using different networking and communication technologies. Among many underlying networking technologies for the IoT, Wireless Sensor Network (WSN) technology has become an integral building block. IoT enabled sensor networks provide a wide range of application areas such as smart homes, connected healthcare, smart cities and various solutions for the manufacturing industry. The integration of WSNs in IoT will also create new security challenges for establishing secure channels between low power sensor nodes and Internet hosts. This will lead to many challenges in designing new key establishment and authentication protocols and redefining the existing ones. This dissertation addresses how to integrate lightweight key management and authentication solutions in the resource constrained sensor networks deployed in IoT domains. Firstly, this thesis elaborates how to exploit the implicit certificates to initiate secure End-to-End (E2E) communication channels between the resource constrained sensor nodes in IoT networks. Implicit certificates are used for authentication and key establishment purposes. The compliance of the security schemes is proven through performance evaluations and by discussing the security properties. Secondly, this dissertation presents the design of two lightweight group key establishment protocols for securing group communications between resource-constrained IoT devices. Finally, the thesis explores promising approaches on how to tailor the existing security protocols in accordance with IoT device and network characteristics. In particular, variants of Host Identity Protocol (HIP) are adopted for constructing dynamic and secure E2E connections between the heterogeneous network devices with imbalanced resource profiles and less or no previous knowledge about each other. A solutions called Collaborative HIP (CHIP) is proposed with an efficient key establishment component for the high resource-constrained devices on the IoT. The applicability of the keying mechanism is demonstrated with the implementation and the performance measurements results. / Tiivistelmä Esineiden internet (IoT) on viime aikoina yleistynyt konsepti älykkäiden objektien (smart objects) liittämiseksi internetiin käyttämällä erilaisia verkko- ja kommunikaatioteknologioita. Olennaisimpia esineiden internetin pohjalla toimivia teknologioita ovat langattomat sensoriverkot (WSN), jotka ovat esineiden internetin perusrakennuspalikoita. Esineiden internetiin kytketyt langattomat sensoriverkot mahdollistavat laajan joukon erilaisia sovelluksia, kuten älykodit, etäterveydenhuollon, älykkäät kaupungit sekä älykkäät teollisuuden sovellukset. Langattomien sensoriverkkojen ja esineiden internetin yhdistäminen tuo mukanaan myös tietoturvaan liittyviä haasteita, sillä laskentateholtaan yleensä heikot anturit ja toimilaitteet eivät kykene kovin vaativiin tietoturvaoperaatioihin, joihin lukeutuvat mm. tietoturva-avaimen muodostus ja käyttäjäntunnistus. Tässä väitöskirjassa pyritään vastaamaan haasteeseen käyttämällä kevyitä avaimenmuodostus- ja käyttäjäntunnistusratkaisuja esineiden internetiin kytketyissä resurssirajoitetuissa sensoriverkoissa. Väitöstutkimuksessa keskitytään aluksi implisiittisten sertifikaattien käyttöön tietoturvallisten end-to-end-kommunikaatiokanavien alustamisessa resurssirajoitettujen sensori- ja muiden IoT-laitteiden välillä. Implisiittisiä sertifikaatteja käytetään käyttäjäntunnistuksessa sekä avaimenmuodostuksessa. Kehitettyjen ratkaisujen soveltuvuus tarkoitukseen osoitetaan suorituskykymittauksilla sekä vertaamalla niiden tietoturvaomi- naisuuksia. Seuraavaksi väitöskirjassa esitellään kaksi kevyttä ryhmäavaimenmuodostus- protokollaa tietoturvalliseen ryhmäkommunikaatioon resurssirajoitettujen IoT-laitteiden välillä. Lopuksi väitöskirjassa tarkastellaan lupaavia lähestymistapoja olemassa olevien tietoturvaprotokollien räätäläintiin IoT-laitteiden ja -verkkojen ominaisuuksille sopiviksi. Erityistä huomiota kiinnitetään Host Identity -protokollan (HIP) eri versioiden käyttöön dynaamisten ja tietoturvallisten end-to-end-yhteyksien luomiseen toisilleen ennestään tuntemattomien erityyppisten IoT-laitteiden välillä, joiden laitteistoresurssiprofiilit voivat olla hyvin erilaiset. Väitöskirjan keskeinen tulos on väitöskirjatyössä kehitetty Colla- borative HIP (CHIP) -protokolla, joka on resurssitehokas avaimenmuodostusteknologia resurssirajoitetuille IoT-laitteille. Kehitetyn teknologian soveltuvuutta tarkoitukseensa demonstroidaan prototyyppitoteutuksella tehtyjen suorituskykymittausten avulla.

Abstract Wireless sensors play a bigger and bigger role in our everyday life and they have become a part of our life in homes, vehicles, traffic, food production and healthcare, monitoring and controlling our activities. Low-cost and resource-efficient solutions are an essential part of this development. The aim of the study was to develop solutions, which improve the energy efficiency of wireless sensor networks yet still fulfil the requirements of monitoring applications. In the study, five new solutions were developed to save energy in wireless sensor networks and all the solutions were studied and verified with test bed implementations. The developed solutions are: 1. Energy-efficient medium access control (MAC), namely revive MAC (R-MAC) for duty-cycling networks with a long sampling interval (many minutes) 2. Wake-up radio solution for on-demand sampling networks, which uses the main radio as the wake-up transmitter 3. Energy-efficient internet of things (IoT) routing solution for wake-up routing with a routing protocol for low-Power and lossy networks (RPL) 4. Energy-efficient IoT compression solution: robust header compression (ROHC) compression with constrained application protocol (CoAP) 5. Data analysis solution based on an energy-efficient sensor node, where filter clogging is forecast from analysis of the vibration data at the node. All the developed solutions were promising and can be utilized in many domain areas. The solutions can be considered as proofs of concept, which need to be developed further for use in final products. / Tiivistelmä Langattomat sensoreilla on yhä suurempi osuus jokapäiväisessä arjessa, jossa langattomat sensorit ovat tulleet osaksi kodin, autojen, ruuantuotannon sekä terveyden valvonta- ja seurantajärjestelmiä. Oleellisena osana tätä kehitystä ovat sekä edulliset että energia- ja resurssitehokkaat ratkaisut. Työn päämääränä oli kehittää ratkaisuja, jotka parantavat langattoman sensoriverkon energia tehokkuutta niin, että edelleen täytetään monitorointi sovellutusten asettamat vaatimukset. Työssä kehitettiin viisi uutta ratkaisua säästää energiaa langattomissa sensoriverkoissa ja kaikki ratkaisut tutkittiin ja varmennetiin työssä tehdyillä testi alustoilla. Kehitetyt ratkaisut ovat: 1. Energiatehokas alempi siirtoyhteyskerroksen protokolla (medium access control, MAC), nimittäin heräävä MAC (Revive MAC, R-MAC) jaksoittain toimiville (duty-cycling) verkoille, joissa on pitkät mittausvälit (useita minuutteja). 2. Heräteradioratkaisu (wake-up) pyynnöstä toimiville (on-demand) verkoille, joissa pääradiota käytetään heräte signaalin lähettämiseen. 3. Energiatehokas esineiden internetin (Internet of Things, IoT) reititysratkaisu herätereititykseen käyttäen matalatehoisille ja häviöllisille verkoille suunniteltua reititysprotokollaa (Routing protocol for low-Power and Lossy networks, RPL). 4. Energiatehokas IoT-pakkausratkaisu: varmatoiminen otsakkeen pakkausprotokolla (Robust Header Compression, ROHC) yhdessä rajoitettujen sovellusten protokollan (Constrained Application Protocol, CoAP) kanssa. 5. Energiatehokas sensorilaite perusteinen data prosessointi ratkaisu suodattimen tukkeutumisen ennustamiseen värähtelymittauksia käyttäen. Kaikki kehitetyt ratkaisut olivat lupaavia ja niitä voidaan käyttää useilla sovellutusalueilla. Ratkaisut ovat soveltuvuusselvityksiä (proof of concept), joita pitää kehittää edelleen loppu tuotteiden käyttöön.