Pro gradu -työ -- Oulun yliopisto. Tietojenkäsittelytieteiden laitos. / Includes bibliographical references (p. 54-57). Also available on the World Wide Web. Myös verkkojulkaisuna.

Abstract Traditional communication networks consist of large sets of vendor-specific manually configurable devices. These devices are hardwired with specific control logic or algorithms used for different network functions. The resulting networks comprise distributed control plane architectures that are complex in nature, difficult to integrate and operate, and are least efficient in terms of resource usage. However, the rapid increase in data traffic requires the integrated use of diverse access technologies and autonomic network operations with increased resource efficiency. Therefore, the concepts of Software Defined Networking (SDN) are proposed that decouple the network control plane from the data-forwarding plane and logically centralize the control plane. The SDN control plane can integrate a diverse set of devices, and tune them at run-time through vendor-agnostic programmable Application Programming Interfaces (APIs). This thesis proposes software defined cognitive networking to enable intelligent use of network resources. Different radio access technologies, including cognitive radios, are integrated through a common control platform to increase the overall network performance. The architectural framework of software defined cognitive networking is presented alongside the experimental performance evaluation. Since SDN enables applications to change the network behavior and centralizes the network control plane to oversee the whole network, it is highly important to investigate SDN in terms of security. Therefore, this thesis finds the potential security vulnerabilities in SDN, studies the proposed security platforms and architectures for those vulnerabilities, and presents future directions for unresolved security vulnerabilities. Furthermore, this thesis also investigates the potential security challenges and their solutions for the enabling technologies of 5G, such as SDN, cloud technologies, and virtual network functions, and provides key insights into increasing the security of 5G networks. / Tiivistelmä Perinteiset tietoliikenneverkot pohjautuvat usein laajoille manuaalisesti konfiguroitaville valmistajakohtaisille ratkaisuille. Niissä käytetään laitekohtaista kontrollilogiikkaa tai verkon eri toiminnallisuuksien algoritmeja. Tämän johdosta verkon hajautettu kontrollitaso muodostuu monimutkaiseksi, jota on vaikea integroida ja operoida, eikä se ole kovin joustava resurssien käytön suhteen. Tietoliikenteen määrän kasvaessa tulee entistä tärkeämmäksi integroida useita verkkoteknologioita ja autonomisia verkon toiminnallisuuksia tehokkaan resurssinhallinnan saavuttamiseksi. Ohjelmisto-ohjatut verkkoratkaisut (SDN, Software Defined Networking) tarjoavat keinon hallita erikseen verkon kontrolliliikennettä eroteltuna dataliikenteestä keskitetysti. Tämä kontrollitaso voi integroida erilaisia verkkolaitteita ja ohjata niitä ajonaikaisesti valmistajariippumattoman sovellusohjelmointirajapinnan kautta. Tässä työssä on tutkittu älykästä ohjelmisto-ohjattavaa verkkoratkaisua, jonka avulla eri radioverkkoteknologiat (mukaan lukien konginitiiviradio) voidaan integroida yhteisen kontrollialustan kautta lisäämään verkon kokonaissuorituskykyä. Työssä esitetään kognitiivinen ohjelmisto-ohjattu verkon arkkitehtuuriratkaisu sekä sen suorituskyvyn arviointi mittauksiin pohjautuen. Koska ohjelmisto-ohjattu verkko pohjautuu koko verkon keskitettyyn kontrollilogiikkaan, on tietoturvan merkitys korostunut entisestään. Tässä työssä on sen vuoksi tutkittu juuri tällaisen verkkoratkaisun mahdollisia tietoturvauhkia sekä niiden torjumiseen soveltuvia ratkaisuvaihtoehtoja sekä esitetään tulevaisuuden kehityssuuntia vielä ratkaisemattomille uhkille. Lisäksi työssä on tutkittu laajemmin tulevien 5G verkkojen tietoturvauhkia ja niiden ratkaisuja, liittyen ohjelmisto-ohjattuihin verkkoratkaisuin, pilviteknologioihin ja virtualisoiduille verkkotoiminnallisuuksille. Työ tarjoaa myös näkemyksen siitä, miten verkon tietoturvaa voidaan kokonaisuudessaan lisätä 5G verkoissa.

Abstract Cryptographic key exchange is an integral part of modern cryptography. Such schemes allow two parties to derive a common secret key over a public channel without a priori shared information. One of the most successful key agreement schemes is the one suggested by Diffie and Hellman in their seminal work on public key cryptography. In this thesis, we give an algebraic generalization of the Diffie-Hellman scheme called AGDH utilizing its implicit algebraic properties. The generalization is based on the problem of computing homomorphic images from an algebra to another. Appropriately, we call this problem the homomorphic image problem (HIP). We also devise an authenticated key exchange protocol that is secure in the Canetti-Krawczyk model assuming the infeasibility of the decision HIP (DHIP). For the secure instantiation of the scheme, we consider symmetric encryption schemes that are homomorphic over an algebraic operation. We derive a condition for the encryption scheme to be homomorphic key agreement capable. We show that whenever this condition is satisfied, the induced DHIP is computationally infeasible based on the security of the encryption scheme. To show that there are such schemes, we give a description of one such that the infeasibility of the DHIP follows from a weaker version of the McEliece generator matrix pseudorandomness assumption and the learning parity with noise (LPN) problem. We also study algebraic methods for generating suitable structures for the devised scheme. Since the platform structure requires a large set of homomorphisms, we consider classes of algebras for which this is the case. In particular, we concentrate on a class of algebras satisfying the left distributivity (LD) property. We formulate a non-associative generalization of the conjugacy search problem (CSP) called partial CSP (PCSP) for left conjugacy closed left quasigroups. We show that the feasibility of the HIP on LD left quasigroups depends on the PCSP. Application of this problem leads to a non-associative variant of the Anshel-Anshel-Goldfeld key agreement scheme. We also formulate different versions of the PCSP and show several relative hardness results related to them. Finally, we study more closely the PCSP for a class of conjugacy closed loops of order p2, where p is a prime. We show that the hardness of the PCSP depends on the number of generators for the conjugator and on that of conjugacy equation pairs. Based on the weakest variant of the PCSP, we devise a symmetric blind decryption scheme on these loops and show that it satisfies perfect secrecy against passive adversaries. / Tiivistelmä Kryptografiset avaintenvaihtomenetelmät ovat eräs modernin kryptografian tärkeimmistä osista. Näiden menetelmien avulla pystytään sopimaan ilman aiempaa tiedonvaihtoa yhteisestä salaisesta avaimesta käyttämällä julkista kanavaa. Diffie-Hellman -avaintenvaihto on yksi parhaiten tunnetuista ja eniten käytetyistä menetelmistä. Tässä työssä tarkastellaan kyseisen menetelmän yleistämistä perustuen sen algebrallisiin ominaisuuksiin. Johdettu yleistys perustuu vaikeuteen löytää annetun alkion homomorfinen kuva, jota työssä kutsutaan homomorfisen kuvan ongelmaksi (HIP). Lisäksi suunnitellaan autentikoitu avaintenvaihtoprotokolla, joka on turvallinen Canetti-Krawczyk -mallissa olettaen että homomorfisen kuvan ongelman päätösversio (DHIP) on laskennallisesti vaikea. Menetelmän turvallista toteuttamista varten tarkastellaan symmetrisen avaimen salausmenetelmiä, jotka ovat homomorfisia joidenkin algebrallisten operaatioiden yli. Työssä johdetaan symmetrisen avaimen salainten ominaisuus, kyvykkyys homomorfiseen avaintenvaihtoon, joka takaa että aikaansaatu DHIP on laskennallisesti vaikea. Lisäksi rakennetaan symmetrinen menetelmä, joka toteuttaa kyseisen ehdon. Menetelmän turvallisuus perustuu tavallista heikompaan oletukseen McEliece-generaattorimatriisin pseudosatunnaisuudesta sekä pariteetin oppimisongelman häiriölliseen versioon (LPN). Työssä tarkastellaan lisäksi menetelmiä soveltuvien algebrallisten rakenteiden generointiin. Koska menetelmä vaatii suuren joukon homomorfismeja, tarkastellaan rakenteita, joille tämä ehto pätee. Erityisesti keskitytään ns. vasemmalta distributiivisiin (LD) rakenteisiin. Työssä määritellään epäassosiatiivinen yleistys konjugointiongelman hakuversiolle (CSP) konjugoinnin suhteen suljettuille vasemmille kvasiryhmille. Tätä yleistystä kutsutaan osittaiseksi CSP:ksi (PCSP). Työssä osoitetaan, että vasemmalta distributiivisissa vasemmissa kvasiryhmissä homomorfisen kuvan ongelman vaikeus liittyy läheisesti PCSP:hen. Lisäksi tätä ongelmaa sovelletaan määrittämään epäassosiatiivinen variantti Anshel-Anshel-Goldfeld -avaintenvaihtomenetelmästä. Lisäksi tarkastellaan PCSP:n erilaisia versioita ja niiden suhteellista laskennallista kompleksisuutta. PCSP:tä tarkastellaan tarkemmin konjugoinnin suhteen suljetuissa luupeissa, joiden kertaluku on p2, missä p on alkuluku. Työssä osoitetaan, että PCSP:n vaikeus riippuu konjugoijan generaattoreiden sekä konjugaatioyhtälöiden lukumäärästä. Käyttämällä hyväksi näitä tuloksia ja erityisesti PCSP:n helpointa versiota, laaditaan symmetrisen avaimen salausmenetelmä, joka tukee ns. sokeaa salauksenpurkua. Lisäksi osoitetaan, että menetelmä takaa täydellisen salassapidon passiivisia hyökkäyksiä vastaan.

Abstract In recent years, the amount of electronic communication has grown enormously. This has posed some new problems in information security. In particular, the methods in cryptography have been under much scrutiny. There are several basic primitives that modern cryptographic protocols utilise. One of these is hash functions, which are used to compute short hash values from messages of any length. In this thesis, we study the security of hash functions from two different viewpoints. First of all, we analyse the security of the Very Smooth Hash against preimage attacks. We develop an improved method for finding preimages of Very Smooth Hash, compare this method with existing methods and demonstrate its efficiency with practical results. Furthermore, we generalise this method to the discrete logarithm variants of the Very Smooth Hash. Secondly, we describe the methods for finding multicollisions in traditional iterated hash functions and give some extensions and improvements to these. We also outline a method for finding multicollisions for generalised iterated hash functions and discuss the implications of these findings. In addition, we generalise these multicollision finding methods to some graph-based hash functions. / Tiivistelmä Viime vuosina digitaaliseen tiedonsiirtoon perustuva tiedonsiirto on yleistynyt valtavasti. Tästä on seurannut monia uusia tietoturvaongelmia. Tässä yhteydessä erityisesti tiedon suojaamiseen käytetyt kryptografiset menetelmät ovat olleet tarkastelun kohteena. Hash-funktiot ovat yksi käytetyimmistä työkaluista nykyisissä kryptografisissa protokollissa. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan hash-funktioiden turvallisuutta kahden eri tutkimusongelman kautta. Aluksi tutkitaan Very Smooth Hash -funktion turvallisuutta alkukuvien löytämistä vastaan. Alkukuvien löytämiseksi esitetään parannettu menetelmä, jota arvioidaan teoreettisilla ja käytännöllisillä menetelmillä. Tämä parannettu menetelmä yleistetään koskemaan myös Very Smooth Hashin muunnoksia, jotka perustuvat diskreetin logaritmin ongelmaan. Toisena tutkimuskohteena ovat iteroitujen hash-funktioiden yleistykset ja monitörmäykset. Aluksi esitellään perinteisiin iteroituihin hash-funktioihin liittyviä monitörmäysmenetelmiä. Tämän jälkeen tutkitaan iteroitujen hash-funktioiden yleistyksiä ja osoitetaan, että aiemmat monitörmäysmenetelmät voidaan laajentaa koskemaan myös näitä yleistyksiä. Lopuksi tutkitaan graafeihin perustuviin hash-funktioihin liittyviä monitörmäysmenetelmiä ja osoitetaan, että iteroitujen hash-funktioiden monitörmäysmenetelmä voidaan osittain yleistää koskemaan myös graafeihin perustuvia hash-funktioita.

Abstract Employee non-compliance with information systems (IS) security procedures is a key concern for organizations. However, even though the importance of having effective IS security training is widely acknowledged by scholars and practitioners, the existing literature does not offer an understanding of the elementary characteristics of IS security training, nor does it explain how these elementary characteristics shape IS security training principles in practice. To this end, this thesis develops a theory that suggests that IS security training has certain elementary characteristics that separate it from other forms of training, and sets a fundamental direction for IS security training practices. Second, the theory defines four pedagogical requirements for designing IS security training approaches. Then it points out that no existing IS security training approaches meet all these requirements. To address these shortcomings, the way in which to design an IS security training approach that meets all these requirements is demonstrated. In this thesis it is also argued that, along with an effective IS security training approach, reasons for employees’ IS security behavior need to be understood. The existing empirical research in the field of employees’ IS security behavior is dominated by theory-verification studies that test well-known theories developed in other fields in the context of IS security. Instead, it is argued that there is a need to focus the investigation on the phenomenon of employees’ compliance itself through an inductive and qualitative approach to complement the existing body of knowledge of this topic. As a result, a framework identifying reasons associated with compliance/non-compliance with security procedures is developed. A particularly interesting finding is that individuals’ violation of IS security procedures depends on the type of violation. Besides advancing a meta-theory for IS security training and developing the theoretical framework that points out reasons for employees’ IS security behavior, the thesis provides a future research agenda for IS security training and behavior. For practitioners, this thesis points out the limitations of the previous IS security training approaches and reasons for IS security behavior and, based on these observations, offers principles for designing effective IS security training approaches in practice. / Tiivistelmä Yhtenä keskeisenä ongelmana organisaatioissa pidetään sitä, että työntekijät laiminlyövät organisaation tietoturvakäytäntöjä. Vaikka tutkijat ja organisaatiot ovat tunnistaneet tietoturvakoulutuksen tärkeyden, olemassa oleva kirjallisuus ei tuo esiin tietoturvakoulutuksen perusominaisuuksia ja niiden asettamia vaatimuksia käytännön tietoturvakoulutukselle. Tässä väitöskirjassa kehitetään kolmitasoinen meta-teoria, joka huomioi nämä aikaisemmasta tietoturvakoulutusta käsittelevästä kirjallisuudesta puuttuvat kysymykset. Teorian ensimmäisellä tasolla määritellään tietoturvakoulutuksen perusominaisuudet, jotka erottavat sen muista koulutusmuodoista ja ohjaavat tietoturvakoulutuksen toteuttamista käytännössä. Teorian toisella tasolla määritellään neljä pedagogista vaatimusta tietoturvakoulutuksen suunnitteluun. Lisäksi kirjallisuusanalyysin perusteella osoitetaan, että olemassa oleva tietoturvakoulutusta käsittelevä kirjallisuus ei täytä kaikkia näitä vaatimuksia. Teorian kolmannella tasolla esitetään käytännön esimerkki siitä, kuinka tietoturvakoulutus voi täyttää tutkimuksessa määritellyt pedagogiset vaatimukset. Väitöskirjassa esitetään myös, että tehokkaan koulutusmenetelmän lisäksi on tärkeää ymmärtää työntekijöiden tietoturvakäyttäytymistä. Aikaisemmin tällä alueella on pääasiassa testattu muiden tieteenalojen teorioita tietoturvakontekstissa. Tässä väitöskirjassa sen sijaan tarkastellaan työntekijöiden tietoturvakäyttäytymisen syitä induktiivisen ja laadullisen tutkimusmenetelmän avulla. Tutkimuksen tuloksena kehitetään teoreettinen viitekehys, jonka avulla analysoidaan työntekijöiden tietoturvakäyttäytymistä. Tutkimuksen päätuloksena osoitetaan, kuinka tietoturvakäyttäytymiseen syyt eroavat rikkomustyypeittäin. Tietoturvakoulutuksen suunnittelua tukevan meta-teorian ja työntekijöiden tietoturvakäyttäytymistä selittävän teoreettisen viitekehyksen lisäksi väitöskirjassa esitetään uusia näkökulmia tietoturvakoulutuksen ja tietoturvakäyttäytymisen tutkimukselle. Käytännön tietoturva-ammattilaisille väitöskirja selventää olemassa olevien tietoturvakoulutuksen lähestymistapojen puutteita ja syitä työntekijöiden tietoturvakäyttäytymiselle. Näihin havaintoihin perustuen väitöskirjassa esitetään tekijöitä, joita tietoturvakoulutuksessa tulisi käytännössä ottaa huomioon.

Abstract Industrial control system (ICS) networks used to be isolated environments, typically separated by physical air gaps from the wider area networks. This situation has been changing and the change has brought with it new cybersecurity issues. The process has also exacerbated existing problems that were previously less exposed due to the systems’ relative isolation. This process of increasing connectivity between devices, systems and persons can be seen as part of a paradigm shift called the Internet of Things (IoT). This change is progressing and the industry actors need to take it into account when working to improve the cybersecurity of ICS environments and thus their reliability. Ensuring that proper security processes and mechanisms are being implemented and enforced on the ICS network level is an important part of the general security posture of any given industrial actor. Network security and the detection of intrusions and anomalies in the context of ICS networks are the main high-level research foci of this thesis. These issues are investigated through work on machine learning (ML) based anomaly detection (AD). Potentially suitable features, approaches and algorithms for implementing a network anomaly detection system for use in ICS environments are investigated. After investigating the challenges, different approaches and methods, a proof-ofconcept (PoC) was implemented. The PoC implementation is built on top of the Bro network security monitoring framework (Bro) for testing the selected approach and tools. In the PoC, a Self-Organizing Map (SOM) algorithm is implemented using Bro scripting language to demonstrate the feasibility of using Bro as a base system. The implemented approach also represents a minimal case of event-driven machine learning anomaly detection (EMLAD) concept conceived during the research. The contributions of this thesis are as follows: a set of potential features for use in machine learning anomaly detection, proof of the feasibility of the machine learning approach in ICS network setting, a concept for event-driven machine learning anomaly detection, a design and initial implementation of user configurable and extendable machine learning anomaly detection framework for ICS networks. / Tiivistelmä Kehittyneet yhteiskunnat käyttävät teollisuuslaitoksissaan ja infrastruktuuriensa operoinnissa monimuotoisia automaatiojärjestelmiä. Näiden automaatiojärjestelmien tieto- ja kyberturvallisuuden tila on hyvin vaihtelevaa. Laitokset ja niiden hyödyntämät järjestelmät voivat edustaa usean eri aikakauden tekniikkaa ja sisältää useiden eri aikakauden heikkouksia ja haavoittuvaisuuksia. Järjestelmät olivat aiemmin suhteellisen eristyksissä muista tietoverkoista kuin omista kommunikaatioväylistään. Tämä automaatiojärjestelmien eristyneisyyden heikkeneminen on luonut uuden joukon uhkia paljastamalla niiden kommunikaatiorajapintoja ympäröivälle maailmalle. Nämä verkkoympäristöt ovat kuitenkin edelleen verrattaen eristyneitä ja tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää niiden valvonnassa. Tässä työssä esitetään tutkimustuloksia näiden verkkojen turvallisuuden valvomisesta erityisesti poikkeamien havainnoinnilla käyttäen hyväksi koneoppimismenetelmiä. Alkuvaiheen haasteiden ja erityispiirteiden tutkimuksen jälkeen työssä käytetään itsejärjestyvien karttojen (Self-Organizing Map, SOM) algoritmia esimerkkiratkaisun toteutuksessa uuden konseptin havainnollistamiseksi. Tämä uusi konsepti on tapahtumapohjainen koneoppiva poikkeamien havainnointi (Event-Driven Machine Learning Anomaly Detection, EMLAD). Työn kontribuutiot ovat seuraavat, kaikki teollisuusautomaatioverkkojen kontekstissa: ehdotus yhdeksi anomalioiden havainnoinnissa käytettävien ominaisuuksien ryhmäksi, koneoppivan poikkeamien havainnoinnin käyttökelpoisuuden toteaminen, laajennettava ja joustava esimerkkitoteutus uudesta EMLAD-konseptista toteutettuna Bro NSM työkalun ohjelmointikielellä.

Abstract Increasing information systems (IS) security breaches require investments in terms of IS security techniques/practices or personnel. Prior research on IS security investment has provided economic models based on neoclassical economics to assess how much to invest in IS security. These models assume that the goal of IS security investment is only benefit maximization, and that all of the actors involved are unbiased rational actors with complete information. It is argued in this thesis that these prior models for IS security investment are flawed for two reasons. First, benefit maximization is not an appropriate goal for IS security investment, because the benefits and costs of IS security investment cannot be reliably calculated. Second, decision makers are not unbiased rational actors, because they do not have enough information to make IS security investment decisions. To address these concerns, this thesis outlines a framework for IS security investment, which is based on behavioral economics. This framework makes new assumptions about IS security investment decision makers, and redefines the contextual nature of IS security investment. As an example of how to operationalize this framework in IS research, this thesis examines IS security investment decision-making by using a theoretical model drawn from reputational herding theory. A field study for empirical testing of the model was conducted, which involved surveying 88 information security experts in Finland. The results of the field study not only confirm the new framework, but also identify several motives that strongly predict IS security investment. In this thesis the assumptions proposed for the framework have also been also tested in a different research setting: the unauthorized uploading behavior of digital goods. This study involves 220 respondents, and the findings suggest that the proposed assumptions for the framework are also applicable in that new research setting. Overall, this doctoral thesis contributes to IS research by providing a framework to increase the overall understanding of how IS security managers make decisions with regard to IS security investment; moreover, this thesis presents empirically-grounded implications for how practitioners can improve the quality of their IS security investments. / Tiivistelmä Jatkuvasti lisääntyvät tietoturvaloukkaukset edellyttävät investointeja tietoturvatekniikoihin/käytänteisiin tai henkilöstöön. Aikaisempi tietoturvainvestointitutkimus on kehittänyt neoklassiseen taloustieteeseen perustuvia taloudellisia malleja tietoturvainvestointien määrän arvioimiseksi. Nämä mallit olettavat, että tietoturvainvestointien tavoitteena on ainoastaan hyötyjen maksimointi ja että kaikki toimijat ovat täydellisen tiedon pohjalta toimivia, puolueettomia ja rationaalisia. Tässä väitöskirjassa esitetään, että aikaisemmat tietoturvainvestointimallit ovat puutteellisia kahdesta syystä. Yhtäältä hyödyn maksimointi ei sovellu hyvin tietoturvainvestointien tavoitteeksi, koska sen hyötyjä ja kustannuksia ei voida luotettavasti laskea. Toisaalta päätöksentekijät eivät ole puolueettomia rationaalisia toimijoita, koska heillä ei ole käytettävissään tarpeeksi tietoa tietoturvainvestointipäätösten tekemiseksi. Nämä asiat huomioidaan tässä väitöskirjassa kehittämällä käyttäytymistaloustieteeseen perustuva tietoturvainvestointien viitekehys. Viitekehys esittää uusia olettamuksia tietoturvainvestointeja tekevistä päätöksentekijöistä ja tietoturvainvestointien kontekstuaalisesta luonteesta Väitöskirjassa havainnollistetaan kehitetyn viitekehyksen soveltamisesta tietojärjestelmätieteen tutkimuksessa tarkastelemalla tietoturvainvestointeihin liittyvää päätöksentekoa maineeseen perustuvan laumateorian (reputational herding theory) pohjalta laaditun teoreettisen mallin näkökulmasta. Kenttätutkimuksessa mallin testaamiseksi empiirisesti laadittiin kysely, johon vastasi 88 tietoturva-asiantuntijaa Suomessa. Kenttätutkimuksen tulokset sekä vastasivat uutta viitekehystä että toivat esiin useita tietoturvainvestointeja vahvasti ennustavia motiiveja. Väitöskirjassa kehitetyn viitekehyksen olettamuksia testattiin myös toisentyyppisessä tutkimusasetelmassa: digitaalisten hyödykkeiden luvaton lataaminen. Tähän tutkimukseen osallistui 220 vastaajaa, ja löydökset osoittavat esitettyjen olettamusten olevan hyödynnettävissä myös tässä uudessa tutkimusasetelmassa. Kaiken kaikkiaan tämän väitöskirjan kontribuutio tietojärjestelmätieteelle on sen tarjoama viitekehys, joka lisää ymmärrystä siitä, kuinka tietoturvapäälliköt tekevät tietoturvainvestointeihin liittyviä päätöksiä. Väitöskirja esittää myös empiiriseen tutkimukseen pohjautuvia käytännön implikaatioita tietoturvainvestointien laadun parantamiseksi.

Abstract Increasingly, organizations and individuals rely upon technologies and networks more and more. Likewise, these environments are infested with more dangers, which could be avoided if computer users were to follow general security guidelines or procedures. Despite the ever-increasing threat, little research has addressed or explained why individuals purposefully engage in behaviors that make them more vulnerable to these threats, rather than avoiding or protecting themselves from such threats. Despite the advantage that could be afforded by understanding the motivations behind such behaviors, research addressing these behaviors is lacking or focused on very specific theoretical bases. This dissertation addresses this research gap by focusing on security-related behaviors that have yet to be addressed in this research stream, and by using novel theoretical perspectives that increase our insight into these types of behaviors. Four studies (n =  1,430) are tested and reported here that support the four behaviors and theoretical perspectives that are of focus in this dissertation. By considering additional theories, constructs, and theoretical perspectives, this dissertation provides several important contributions to security-related behaviors. The results of this study provide new insights into the motivations behind the purposeful enactment of behaviors that increase one’s vulnerability to technological threats and risks. / Tiivistelmä Organisaatiot ja ihmiset ovat yhä enenevissä määrin riippuvaisia teknologiasta ja tietoverkoista. Tällöin he myös kohtaavat entistä enemmän tietoturvariskejä, joita olisi mahdollista välttää noudattamalla tietoturvaohjeita ja -politiikkoja. Huolimatta näistä jatkuvasti yleistyvistä riskeistä, tähän mennessä ei juurikaan ole tehty tutkimusta, joka selittää ihmisten tietoista tietoturvaohjeiden ja -politiikkojen laiminlyöntiä, joka altistaa heidät tietoturvariskeille. Aikaisempi ihmisten tietoturvakäyttäytymisen syiden ymmärtämiseen keskittyvä tutkimus tarkastelee ilmiötä yksipuolisesti tiettyihin teoreettisiin lähtökohtiin nojautuen. Tämä väitöskirjatyö tarkastelee ihmisten tietoturvakäyttäytymisen syitä uudesta teoreettisesta näkökulmasta. Väitöskirja sisältää neljä tutkimusta (n = 1430), jotka tarkastelevat erityyppistä tietoturvakäyttäytymistä erilaisista teoreettisista lähtökohdista. Väitöskirja täydentää olemassa olevaa tietoturvakäyttäytymisen tutkimusta uusien teorioiden, käsitteiden ja teoreettisten näkökulmien avulla.

Abstract Developments in information technology have had a big impact in healthcare, producing vast amounts of data and increasing demands associated with their secure transfer, storage and analysis. To serve them, biomedical data need to carry patient information and records or even extra biomedical images or signals required for multimodal applications. The proposed solution is to host this information in data using data hiding algorithms through the introduction of imperceptible modifications achieving two main purposes: increasing data management efficiency and enhancing the security aspects of confidentiality, reliability and availability. Data hiding achieve this by embedding the payload in objects, including components such as authentication tags, without requirements in extra space or modifications in repositories. The proposed methods satisfy two research problems. The first is the hospital-centric problem of providing efficient and secure management of data in hospital networks. This includes combinations of multimodal data in single objects. The host data were biomedical images and sequences intended for diagnoses meaning that even non-visible modifications can cause errors. Thus, a determining restriction was reversibility. Reversible data hiding methods remove the introduced modifications upon extraction of the payload. Embedding capacity was another priority that determined the proposed algorithms. To meet those demands, the algorithms were based on the Least Significant Bit Substitution and Histogram Shifting approaches. The second was the patient-centric problem, including user authentication and issues of secure and efficient data transfer in eHealth systems. Two novel solutions were proposed. The first method uses data hiding to increase the robustness of face biometrics in photos, where due to the high robustness requirements, a periodic pattern embedding approach was used. The second method protects sensitive user data collected by smartphones. In this case, to meet the low computational cost requirements, the method was based on Least Significant Bit Substitution. Concluding, the proposed algorithms introduced novel data hiding applications and demonstrated competitive embedding properties in existing applications. / Tiivistelmä Modernit terveydenhuoltojärjestelmät tuottavat suuria määriä tietoa, mikä korostaa tiedon turvalliseen siirtämiseen, tallentamiseen ja analysointiin liittyviä vaatimuksia. Täyttääkseen nämä vaatimukset, biolääketieteellisen tiedon täytyy sisältää potilastietoja ja -kertomusta, jopa biolääketieteellisiä lisäkuvia ja -signaaleja, joita tarvitaan multimodaalisissa sovelluksissa. Esitetty ratkaisu on upottaa tämä informaatio tietoon käyttäen tiedonpiilotusmenetelmiä, joissa näkymättömiä muutoksia tehden saavutetaan kaksi päämäärää: tiedonhallinnan tehokkuuden nostaminen ja luottamuksellisuuteen, luotettavuuteen ja saatavuuteen liittyvien turvallisuusnäkökulmien parantaminen. Tiedonpiilotus saavuttaa tämän upottamalla hyötykuorman, sisältäen komponentteja, kuten todentamismerkinnät, ilman lisätilavaatimuksia tai muutoksia tietokantoihin. Esitetyt menetelmät ratkaisevat kaksi tutkimusongelmaa. Ensimmäinen on sairaalakeskeinen ongelma tehokkaan ja turvallisen tiedonhallinnan tarjoamiseen sairaaloiden verkoissa. Tämä sisältää multimodaalisen tiedon yhdistämisen yhdeksi kokonaisuudeksi. Tiedon kantajana olivat biolääketieteelliset kuvat ja sekvenssit, jotka on tarkoitettu diagnosointiin, missä jopa näkymättömät muutokset voivat aiheuttaa virheitä. Siispä määrittävin rajoite oli palautettavuus. Palauttavat tiedonpiilotus-menetelmät poistavat lisätyt muutokset, kun hyötykuorma irrotetaan. Upotuskapasiteetti oli toinen tavoite, joka määritteli esitettyjä algoritmeja. Saavuttaakseen nämä vaatimukset, algoritmit perustuivat vähiten merkitsevän bitin korvaamiseen ja histogrammin siirtämiseen. Toisena oli potilaskeskeinen ongelma, joka sisältää käyttäjän henkilöllisyyden todentamisen sekä turvalliseen ja tehokkaaseen tiedonsiirtoon liittyvät haasteet eHealth-järjestelmissä. Työssä ehdotettiin kahta uutta ratkaisua. Ensimmäinen niistä käyttää tiedonpiilotusta parantamaan kasvojen biometriikan kestävyyttä valokuvissa. Korkeasta kestävyysvaatimuksesta johtuen käytettiin periodisen kuvion upottamismenetelmää. Toinen menetelmä suojelee älypuhelimien keräämää arkaluontoista käyttäjätietoa. Tässä tapauksessa, jotta matala laskennallinen kustannus saavutetaan, menetelmä perustui vähiten merkitsevän bitin korvaamiseen. Yhteenvetona ehdotetut algoritmit esittelivät uusia tiedonpiilotussovelluksia ja osoittivat kilpailukykyisiä upotusominaisuuksia olemassa olevissa sovelluksissa.

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.