| Título: | Protocolo de autenticação em redes LoRaWAN via criptografia de curvas hiperelípticas e Blockchain |
| Autor(es): | Lima, Pedro José de Araújo Siqueira |
| Orientador(es): | Gondim, Paulo Roberto de Lira |
| Assunto: | Segurança de rede
Redes de computação - medidas de segurança
Blockchain |
| Data de apresentação: | 21-Fev-2025 |
| Data de publicação: | 29-Mai-2026 |
| Referência: | LIMA, Pedro José de Araújo Siqueira. Protocolo de autenticação em redes LoRaWAN via criptografia de curvas hiperelípticas e Blockchain. 2025. 70 f., il. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia de Redes de Comunicação) — Universidade de Brasília, Brasília, 2025. |
| Resumo: | O uso de tecnologias IoT (Internet das Coisas) é essencial para a conexão de dispositivos e sensores
atualmente, com as LPWANs (Rede de Área Ampla de Baixa Potência) destacando-se por sua alta eficiên cia energética e longo alcance. Entre as principais LPWANs em uso, a rede LoRaWAN se realça por sua
arquitetura simples e pelo uso de bandas não-licenciadas, reduzindo ainda mais os custos de implementa ção. Paralelamente, o uso de blockchains como um mecanismo de segurança de redes se apresenta como
uma solução promissora, proporcionando a integridade, rastreabilidade e imutabilidade aos dados.
Em sua versão mais recente (v1.1), todos os procedimentos relacionados à ativação de dispositivos e ao
gerenciamento de chaves em redes LoRaWAN são realizados por um único servidor, o novo Join Server.
Essa falta de redundância introduz um ponto único de falha à arquitetura LoRaWAN, reduzindo a segurança
dos sistemas e potencializando possíveis ataques. Além disso, todas as chaves de sessão utilizadas pelos
dispositivos sensores são derivadas a partir de duas chaves fixas pré-compartilhadas, também apresentando
grandes possíveis riscos à segurança da rede LoRaWAN.
A integração da rede LoRaWAN com um blockchain permite a descentralização das funções do seu
backend, eliminando pontos únicos de falha. Um blockchain também introduz novas propriedades de se gurança à rede, como integridade, não-repúdio e imutabilidade. Ainda mais, o emprego de novas técnicas
criptográficas, como o signcryption e criptografia de curvas hiperelípticas (HECC) introduz maior segu rança ao sistema, com um menor uso de recursos.
Este trabalho propõe uma adaptação da arquitetura-padrão da rede LoRaWAN, de forma integrada
a um blockchain permissionado, juntamente com uma alteração do procedimento de OTAA (Over-the Air-Activation) para o uso de criptografia assimétrica. Com base nessa arquitetura do sistema, um novo
protocolo de autenticação é proposto, composto pelas seguintes etapas: Inicialização, Registro de Chaves
e Ativação de Dispositivos.
Em seguida, uma verificação informal acerca das propriedades de segurança alcançadas pelo protocolo
proposto, bem como dos mecanismos de defesa contra ataques cibernéticos mais relevantes, é realizada.
Uma análise comparativa de tais propriedades também é apresentada, contrastando as principais diferen ças entre o protocolo proposto e trabalhos similares. Além disso, uma validação formal, executada via
ferramenta AVISPA, é relatada, comprovando a segurança deste protocolo.
Por fim, são apresentados os custos computacionais e de comunicação do protocolo. Os resultados
obtidos demonstram um desempenho superior do protocolo proposto, em comparação com protocolos
similares voltados para as mesmas finalidades. |
| Abstract: | The usage of IoT (Internet of Things) technology is essential to the connection of devices and sensors
nowadays, with LPWANs (Low-Power Wide Area Networks) standing out for their high energy efficiency
and long rang. Among the major LPWANs in use, the LoRaWAN network distinguishes itself with its
simple architecture and the usage of non-licensed bands, lowering even more the implementation costs.
At the same time, the use of blockchains as a network security mechanism presents itself as a promising
solution, providing integrity, traceability and immutability to data.
In its most recent version (v1.1), all procedures related to the activation of devices and key manage ment in LoRaWAN networks are carried out by a single server, the Join Server. This lack of redundancy
introduces a single point of failure to the LoRaWAN architecture, reducing the security of the systems and
increasing potential attacks. Beyond that, all session keys used by sensor devices are derived from two
lifetime pre-shared keys, also introducing major possible risks to the security of the LoRaWAN network.
The integration of a LoRaWAN network with a blockchain allows the decentralization of its backend
functions, eliminating single points of failure. A blockchain also introduces new security properties to the
network, like integrity, non-repudy and immutability. Also, the use of new cryptographic techniques, like
signcryption and hyperelliptic curve cryptography (HECC) introduces a higher security to the system, with
a lower resource usage.
This work proposes an adaptation to the default LoRaWAN network architecture, in an integrated
manner with a permissioned blockchain, as well as an adaptation of the OTAA (Over-the-Air-Activation)
procedure for the usage of asymmetric crytopgraphy. Based on the system’s architecture, a new authen tication protocol is proposed, composed by the following stages: Initialization, Key Register and Device
Activation.
Then, an informal verification over the security properties achieved by the proposed protocol, as well as
the defense mechanisms against the most relevant cyber attacks, is carried out. A comparative analysis of
such properties is also shown, contrasting the main differences between the proposed protocol and related
works. Beyond that, a formal validation, executed via the AVISPA tool, is reported, proving the security of
this protocol.
At last, the computational and communication costs of the protocol are presented. The results obtained
show a superior performance of the proposed protocol, when compared to similar protocols aimed at the
same goals. |
| Informações adicionais: | Trabalho de conclusão de curso (graduação) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2025. |
| Licença: | A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor que autoriza a Biblioteca Digital da Produção Intelectual Discente da Universidade de Brasília (BDM) a disponibilizar o trabalho de conclusão de curso por meio do sítio bdm.unb.br, com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 International, que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que seja citado o autor e licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação desta. |
| Aparece na Coleção: | Engenharia de Redes de Comunicação
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