IoT: Sicurezza e minacce nelle reti LoRaWAN

In LoRaWAN la sicurezza `e garantita attraverso l’utilizzo di cifratura AES-128 bit e dispone di due strati indipendenti per quanto riguarda la protezione della rete e dell’applicazione. La chiave AES-128 bit conosciuta come  Application Key(App-key) `e usata per generare due chiavi di sessione che sono Network Session Key (NwkSKey) e Application Session Key (AppSKey). NwkSKey `e condivisa sia dall’end device che dal network server per generare e verificare il codice d’integrit`a  del  messaggio  (MIC). Il MIC assicura l’integrit`a di ogni messaggio, e crea una specifica signature per ognimessaggio. La AppSKey `e simile alla NwkSKey, ma `e usata per cifrare e decifrare il payload dei dati applicativi.LoRaWAN crea un key stream usando NwkSKey, AppSKey, l’up-link e down-link counter associato ai messaggi. Pertanto ogni messaggio viene cifrato attraverso un’operazione di XOR con la corrispondente chiave a partire dal key stream per generare la cifratura del payload [24]. Le procedure di join alla rete da parte dell’end device possono essereOTAA  (Over The Air Activation) e ABP (Activation By personalization). La procedura OTAA richiede i parametriDevEUI, AppEUI e AppKey. Un end device deve seguire questa procedura ogni volta che si unisce alla rete o perde leinformazioni relative alla chiave di sessione.  OTAA `e descritto come un modo piu` sicuro di autenticazione, in quanto, lanetwork session key viene rigenerata ogni qual volta l’end device si unisce alla rete. Inoltre questo permette il roaming tra differenti reti. L’end device inizia la procedura OTAA inviando un messaggio di join-request. Il messaggio include i valori di Ap- pEUI,  DevEUI  ed  un  nonce  (DevNonce)  dell’end  device.  Il  DevNonce `e  un numero random che `egenerato e tracciato dal network-server ed `e usato per rigettare ogni join request con un nonce invalido. Questomeccanismo serve a prevenire i replay-attack [24]. La seconda procedura di unione alla rete da parte dell’end device `eABP. Questa modalit`a connette direttamente un end device ad una rete specifica senza che avvenga una join-request ed una accept procedure. In questo caso i valori di device address (DevAddr), NwkSKey and AppSKey sono direttamente memorizzati all’interno della memoria del- l’end device. In questo modo le chiavi non vengono generate e possono essere direttamente usate per cifrare i messaggi. Se le chiavi sono compromesse, tutte le comunicazioni traend device, gateway e network server possono es sere  decifrate da un’entit`a terza per tutta la vita dell’end device. Una delle potenziali vulnerabilit`a  sfrutta  la  procedura di join in modalit`a ABP in quanto le chiavi potrebbero essere derivateda informazioni che diventano pubbliche in quanto ottenute tramite tecniche di reverse engineering di un end device, ed a questo punto ogni altra comunicazione di qualsiasi device di quel tipo potrebbe essere compromessa. La struttura dei pacchetti LoRa- WAN non include per i messaggi una signature o una time based data per validare il  timestamp  del messaggio  e  questo  pu`o  lasciare  il  fianco  scoperto ad attacchi di tipo replay o wormhole. Uno dei possibili attacchi consiste nel compromettere l’end device e la network key. Un attaccante potrebbe compromettere un end device accedendovi fisicamente estraendo le chiavi.

Tipicamente, un end device `e composto da un modulo LoRa radio receiver ed un host microcontrollore (MTU). Il modulo radio comunica con il microcontrollore attraverso un’interfaccia UART o SPI. I comandi ed i dati che passanodall’host al modulo radio possono essere intercettati attraverso un hardware esterno in quanto i moduli radio incommercio non supportano una cifratura incorporata. In questa maniera non c’`e modo di sapere  se i comandi o i datiinviati al modulo radio provengono da MTU originale o da  un’entit`a malintenzionata,  la  quale  pu`o  intercettare  lo scambio  di  dati tra MTU e modulo radio per creare un mock device con le stesse credenziali per manipolare ilpayload. Per questo motivo, gli sviluppatori di applicazio ni non devono eseguire operazioni sensibili comel’impostazione delle chiavi  di sicurezza per  ogni  trasmissione  di  dati  perch`e  potrebbero  esporre  queste informazioni critiche ad entit`a malintenzionate. Questo tipo di attacco pu`o essere fatto collegandosi fisicamente all’interfaccia serialedell’end device.

L’attacco di tipo radio jamming `e un problema che affligge molte tecnologie  wireless.  Un  attaccante  pu`o  trasmettereun  segnale radio molto  potente in  prossimit`a del dispositivo,  tanto  da  compromettere  la  trasmissione radio. Questotipo di attacco richiede hardware  specifico  che  per`o `e  possibile trovare  in  commercio. La modulazione CSS è comprovata essere molto robusta alle interferenze ma la  coesistenza  di  piu` dispositivi che trasmettono alla stessa frequenza e con lo stesso spreading factor potrebbero generare disturbo. Questo tipo di attacco viene svolto a livello fisico usando componenti commercial-off-the-shelf (COTS) per dispositivi LoRa allo scopo di creare jamming.Banalmente usando un microcontrollore Arduino ed un modulo LoRa, si genera un flood di messaggi ad una certa frequenza che crea una forte interferenza nelle trasmissioni. Per distruggere le trasmissioni   LoRa attraverso un COTS hardware basta un investimento di circa 30 euro. Sebbene `e difficile prevenire questi tipi di attacchi esistono deiworkarounds. Innanzitutto, l’attivit`a di jamming  di un intera rete o frequenza pu`o essere facilmente intercettata in quanto improvvisamente nessun dispositivo è piu` in grado di comunicare. Attraverso l’analisi di questo comportamento anomalo gli amministratori di rete possono prendere provvedimenti come ad esempio modificando la frequenza di trasmissione. Latrasmissione LoRa ha un air-time che varia da qualche millisecondo fino a 1.5 secondi in base alla dimensione del payload e spreading factor. Le trasmissioni wireless verso uno specifico device possono essere identificate attraverso il device address pertanto `e possibile isolare  anche  un  singolo  end  device. Una volta che un attaccante riceve i primibyte dell’header che contengono il device address, se questo indirizzo corrisponde con l’indirizzo del device obiettivo un attaccante pu`o corrompere  attraverso un’azione di  selective jammer il resto del messaggio  prima  che  arrivi  a destinazione. Questo tipo di attacco `e molto diffuso anche nelle reti WiFi.

Un replay attack consiste nel trasmettere o ripetere una trasmissione va- lida da parte di un attaccante fingendo di essere il device originale. Lo scopo principale di questo attacco `e quello di imbrogliare il device usando un mes- saggio di handshake oppure dati vecchi dalla rete. Per mettere in atto questo tipo di attacco l’attaccante deve conoscere la frequenza di trasmissione ed il canale per effettuare lo sniff dei dati di una trasmissione tra due devices. In LoRaWANnon `e possibile decifrare messaggi tra un end device ed un ga- teway senza conosce l’AppSKey in quanto l’interopayload `e cifrato con essa. Inoltre la manomissione dei dati porta al fallimento del controllo del MIC pertanto non `epossibile farlo senza conoscere la NwkSKey. Sebbene un attaccante pu`o reinvieare un messaggio consecutivamente,usando il frame counter usato nel frame LoRaWAN, questi messaggi possono essere identificati e scartati. Quando un end device viene attivato o resettato il counter parte da zero e viene incrementato ad ogni invio di messaggiosuccessivo. Se  un messaggio `e ricevuto con un counter inferiore rispetto all’ultimo messaggio inviato, esso vieneignorato. Tuttavia, la specifica LoRaWAN gestisce il frame ma i contatori sono specificatamente lasciati all’applicazione e allo sviluppatore. Per questo motivo le reti che non tengono traccia del frame counter possono essere vulnerabili perun replay attack. Inoltre, questa misu ra di sicurezza ha conseguenze per lo sviluppo di dispositivi che usano ABPcome modalit`a di join alla rete. Se un malintenzionato `e in grado di fare un reset del dispositivo, il counter ripartir`a  da zero  e i messaggi che  sono  stati ottenuti prima facendo sniffing della trasmissione tra gateway ed end device possonoessere reinviati al gateway.   Questo tipo di attacco sfrutta vulnerabilita`  dell’applicazione,  ma  nel  caso  di  alcuni allarmi  anti  intrusione,  pu`o essere sfruttato per fare un replay mentre il device sta inviando un messaggio di allert.  Inalcune reti per contromisura vengono scartati tutti i messaggi finch`e il frame  counter  inviato  dai  messaggi  dell’end  device  non  raggiunge l’ultimo valore di frame counter che il gateway conosce per quello specifico nodo. In questo tipo di applicazioni a causa di questa contromisura in caso di reset o riavvio del dispositivo, le sue trasmissioni non verranno prese in considerazione per un  certo  periodo  di  tempo. Il wormhole attack pu`o essere condotto usando due dispositivi un jammer ed uno sniffer. Lo sniffer ha il compito di catturare pacchetti e invia un segnale al jammer per notifica- re che i messaggi sono stati catturati. Ovviamente i messaggi catturati non arriveranno mai al gateway, pertanto non essendo mai stati validati restano validi. I messaggi catturati possono essere inviati al gateway in un qualsiasi momento a pattoche non ne arrivino altri nel frattempo. Se, ad esempio, un end device trasmette un importante pacchetto che indica unallarme, questa   trasmissione pu`o essere disturbata dal jammer  e i messaggi, che sono stati memorizzati prima e che non hanno mai raggiunto il gateway, possono es- sere inviati in modo che l’applicazione non sappia  che  e stato generato  un messaggio di allarme. Dato che nel protocollo LoRaWAN non c’`e nessuna informazione relativo al tempo equindi i messaggi non hanno un timestamp  potrebbe essere molto difficile arginare questo tipo di attacco.

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