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With the expansion of IoT devices in many aspects of our life, the security of such systems has become an important challenge. Unlike conventional computer systems, any IoT security solution should consider the constraints of these systems such as computational capability, memory, connectivity, and power consumption limitations. Physical Unclonable Functions (PUFs) with their special characteristics were introduced to satisfy the security needs while respecting the mentioned constraints. They exploit the uncontrollable and reproducible variations of the underlying component for security applications such as identification, authentication, and communication security. Since IoT devices are typically low cost, it is important to reuse existing elements in their hardware (for instance sensors, ADCs, etc.) instead of adding extra costs for the PUF hardware. Micro-electromechanical system (MEMS) devices are widely used in IoT systems as sensors and actuators. In this thesis, a comprehensive study of the potential application of MEMS devices as PUF primitives is provided. MEMS PUF leverages the uncontrollable variations in the parameters of MEMS elements to derive secure keys for cryptographic applications. Experimental and simulation results show that our proposed MEMS PUFs are capable of generating enough entropy for a complex key generation, while their responses show low fluctuations in different environmental conditions.
Keeping in mind that the PUF responses are prone to change in the presence of noise and environmental variations, it is critical to derive reliable keys from the PUF and to use the maximum entropy at the same time. In the second part of this thesis, we elaborate on different key generation schemes and their advantages and drawbacks. We propose the PUF output positioning (POP) and integer linear programming (ILP) methods, which are novel methods for grouping the PUF outputs in order to maximize the extracted entropy. To implement these methods, the key enrollment and key generation algorithms are presented. The proposed methods are then evaluated by applying on the responses of the MEMS PUF, where it can be practically shown that the proposed method outperforms other existing PUF key generation methods.
The final part of this thesis is dedicated to the application of the MEMS PUF as a security solution for IoT systems. We select the mutual authentication of IoT devices and their backend system, and propose two lightweight authentication protocols based on MEMS PUFs. The presented protocols undergo a comprehensive security analysis to show their eligibility to be used in IoT systems. As the result, the output of this thesis is a lightweight security solution based on MEMS PUFs, which introduces a very low overhead on the cost of the hardware.
Das Ziel der Arbeit ist zu erforschen, ob die Erstellung eines Digital Twin des Hamburger Hafens durch Open Source Lösungen realisierbar ist. Die Grundlagen führen in die Themen Digital Twin und Smart City ein. Es wird darauf eingegangen, welche Vorteile durch die Verwendung eines Digital Twins gewonnen werden können und wie sich die verschiedenen Digital Twin-Typen unterscheiden. Es werden verschiedene Architekturen anhand eines Smart City Index weltweit evaluiert, um ein geeignetes Digital Twin-Framework zu finden. FIWARE hat sich als geeignetes Frame- work erwiesen und wird im Anschluss analysiert. Anhand der Evaluierung wird ebenfalls das 3D-Visualisierungs Framework CesiumJS als Open Source Lösung ermit- telt. Das Unternehmen Hamburg Port Authority wird vorgestellt und die interne IT- Infrastruktur betrachtet. Anhand der Architekturdokumentation arc42 werden die Anforderungen und die erforderliche Architektur in Zusammenarbeit mit der Hamburg Port Authority ermittelt. Im Anschluss wird der Architekturentwurf anhand eines Prototyps implementiert. Probleme oder Anforderungen, die nicht erfüllt werden können, werden beschrieben. Abschließend werden die Ergebnisse und das Fazit der Hamburg Port Authority zusammengefasst.
The Internet of Things is spreading significantly in every sector, including the household, a variety of industries, healthcare, and emergency services, with the goal of assisting all of those infrastructures by providing intelligent means of service delivery. An Internet of Vulnerabilities (IoV) has emerged as a result of the pervasiveness of the Internet of Things (IoT), which has led to a rise in the use of applications and devices connected to the IoT in our day-to-day lives. The manufacture of IoT devices are growing at a rapid pace, but security and privacy concerns are not being taken into consideration. These intelligent Internet of Things devices are especially vulnerable to a variety of attacks, both on the hardware and software levels, which leaves them exposed to the possibility of use cases. This master’s thesis provides a comprehensive overview of the Internet of Things (IoT) with regard to security and privacy in the area of applications, security architecture frameworks, a taxonomy of various cyberattacks based on various architecture models, such as three-layer, four-layer, and five-layer. The fundamental purpose of this thesis is to provide recommendations for alternate mitigation strategies and corrective actions by using a holistic rather than a layer-by-layer approach. We discussed the most effective solutions to the problems of privacy and safety that are associated with the Internet of Things (IoT) and presented them in the form of research questions. In addition to that, we investigated a number of further possible directions for the development of this research.
Die Thesis beschäftigt sich mit dem Kommunikationsprotokoll Lightweight Machine to Machine, welches für das Internet of Things entwickelt wurde. Es soll untersucht werden, wie das Protokoll funktioniert und wie es eingesetzt werden kann. Ebenfalls soll die Thesis zeigen, wie und ob Lightweight Machine to Machine über Long Term Evolution for Machines für Anwendungen mit begrenzten Ressourcen geeignet ist. Um diese Fragestellung zu beantworten, wurde das Protokoll auf Grund seiner Spezifikation und seinen Softwareimplementationen untersucht. Daraufhin wurde ein Versuchssystem entworfen und dieses anschließend auf sein Laufzeitverhalten und auf sein Energieverbrauch getestet. Die Evaluation des Protokolls ergab, dass es viele sinnvolle Funktionen zugeschnitten auf Geräte im Internet of Things besitzt und diese Funktionen kompakt und verständlich umsetzt. Da das Protokoll noch relativ jung ist, stellt es an verschiedenen Punkten eine Herausforderung dar. Die Tests des Versuchssystems ergaben, dass Lightweight Machine to Machine sich unter bestimmten Bedingungen für ressourcenbegrenzte Anwendungen eignet.
The integration of Internet of Things devices onto the Blockchain implies an increase in the transactions that occur on the Blockchain, thus increasing the storage requirements.
A solution approach is to leverage cloud resources for storing blocks within the chain. The paper, therefore, proposes two solutions to this problem. The first being an improved hybrid architecture design which uses containerization to create a side chain on a fog node for the devices connected to it and an Advanced Time‑variant Multi‑objective Particle Swarm Optimization Algorithm (AT‑MOPSO) for determining the optimal number of blocks that should be transferred to the cloud for storage. This algorithm uses time‑variant weights for the velocity of the particle swarm optimization and the non‑dominated sorting and mutation schemes from NSGA‑III. The proposed algorithm was compared with results from the original MOPSO algorithm, the Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA‑II), and the Pareto Envelope‑based Selection Algorithm with region‑based selection (PESA‑II), and NSGA‑III. The proposed AT‑MOPSO showed better results than the aforementioned MOPSO algorithms in cloud storage cost and query probability optimization. Importantly, AT‑MOPSO achieved 52% energy efficiency compared to NSGA‑III.
To show how this algorithm can be applied to a real‑world Blockchain system, the BISS industrial Blockchain architecture was adapted and modified to show how the AT‑MOPSO can be used with existing Blockchain systems and the benefits it provides.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema Internet of Things und darin insbesondere mit dem Bereich Smart Home und Smart Mobile Home. Wesentliche Aspekte werden zu diesen Gebieten herausgearbeitet und analysiert. Es wird festgestellt, dass kaum Möglichkeiten existieren, Mobile Homes um smarte Systeme zu erweitern, wie es im herkömmlichen Smart Home Bereich der Fall ist.
Die Low-Code Entwicklungsplattform Node-RED wird als Tool für IoT-Anwendungen im Detail vorgestellt und die Funktionsweise wird ausführlich analysiert. Die Vorgehensweise bei der Anwendungsentwicklung, nach welcher einzelne Bausteine zu aneinanderhängenden Abläufen verkettet werden, wird aufgezeigt.
Der in diesem Rahmen entwickelte Prototyp Smart Van setzt dort an, wo die aktuellen Beschränkungen für Smart Mobile Home Systeme sitzen. Planung, Konzeption und die Implementierung mithilfe von Node-RED werden dokumentiert. Die Ergebnisse werden präsentiert und die Umsetzung des Prototyps wird als Erfolg ausgewertet.
Zusammenfassend wird festgehalten, dass Node-RED gegenwärtig und voraussichtlich auch in Zukunft ein wichtiges Werkzeug für Anwendungen im Bereich IoT ist. Für den Prototyp Smart Van werden die nächsten notwendigen Schritte festgehalten, mit deren Umsetzung der Prototyp auf dem Markt von Smart Mobile Home Systemen ein gewisses Potenzial besitzt.
Bereichsübergreifender Einsatz von JavaScript – Aktueller Stand und exemplarische Implementierung
(2021)
Nahezu alle Websites nutzen die Programmiersprache JavaScript zur Darstellung von interaktiven Inhalten und zur Bereitstellung von komplexen Funktionalitäten. Seit ihren Anfängen im Jahr 1995 hat sich die Sprache nicht nur zum Standard in der Webentwicklung etabliert, sondern auch zu einer leistungsfähigen Mehrzweckprogrammiersprache weiterentwickelt.
Diese Arbeit befasst sich mit einer ausführlichen Darstellung der aktuellen Möglichkeiten, welche Ansätze sich durch die Weiterentwicklung JavaScripts zu einer Mehrzweckprogrammiersprache ergeben und wie sich diese heute umsetzen lassen. Anhand des intelligenten Schlüsselkastens „Smart Vault“ wird verdeutlicht, wie dieses Vorgehen praktisch realisiert und die Vorteile einer einzigen Programmiersprache angewendet werden können.
Es hat sich herausgestellt, dass sich JavaScript für Anwendungen unterschiedlicher Bereiche einsetzen lässt und darüber hinaus ein hohes Potenzial für weitere Entwicklungen, Verbesserungen und zusätzliche Einsatzgebiete besitzt. Es lassen sich nicht nur Websites, Web Server und Desktop Apps, sondern auch Mikrocontroller im Internet of Things konfigurieren und miteinander nutzen, ohne eine weitere Programmiersprache zu benötigen. Zahlreiche Bibliotheken und Frameworks machen es möglich, dass die Sprache verschiedene Anwendungen über ihre Einsatzgebiete hinweg miteinander verbindet.
One of the main requirements of spatially distributed Internet of Things (IoT) solutions is to have networks with wider coverage to connect many low-power devices. Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) and Cellular IoT(cIOT) networks are promising candidates in this space. LPWAN approaches are based on enhanced physical layer (PHY) implementations to achieve long range such as LoRaWAN, SigFox, MIOTY. Narrowband versions of cellular network offer reduced bandwidth and, simplified node and network management mechanisms, such as Narrow Band IoT (NB-IoT) and Long-Term Evolution for Machines (LTE-M). Since the underlying use cases come with various requirements it is essential to perform a comparative analysis of competing technologies. This article provides systematic performance measurement and comparison of LPWAN and NB-IoT technologies in a unified testbed, also discusses the necessity of future fifth generation (5G) LPWAN solutions.
Embedded Analog Physical Unclonable Function System to Extract Reliable and Unique Security Keys
(2020)
Internet of Things (IoT) enabled devices have become more and more pervasive in our everyday lives. Examples include wearables transmitting and processing personal data and smart labels interacting with customers. Due to the sensitive data involved, these devices need to be protected against attackers. In this context, hardware-based security primitives such as Physical Unclonable Functions (PUFs) provide a powerful solution to secure interconnected devices. The main benefit of PUFs, in combination with traditional cryptographic methods, is that security keys are derived from the random intrinsic variations of the underlying core circuit. In this work, we present a holistic analog-based PUF evaluation platform, enabling direct access to a scalable design that can be customized to fit the application requirements in terms of the number of required keys and bit width. The proposed platform covers the full software and hardware implementations and allows for tracing the PUF response generation from the digital level back to the internal analog voltages that are directly involved in the response generation procedure. Our analysis is based on 30 fabricated PUF cores that we evaluated in terms of PUF security metrics and bit errors for various temperatures and biases. With an average reliability of 99.20% and a uniqueness of 48.84%, the proposed system shows values close to ideal.
Diese Bachelor Thesis behandelt das Thema MQTT 5, ein Anwendungsprotokoll im Internet der Dinge, das im Januar 2018 veröffentlicht wurde. MQTT 5 dient zur Kommunikation zwischen Geräten die mit dem Internet verbunden sind.
Innerhalb dieser Thesis werden die Neuerungen und Verbesserungen von MQTT 5 beschrieben.
Es wird untersucht, welche Mikrocontroller, SoC-Computer, Programmier-Frameworks und lattformdienste MQTT 5 unterstützen.
Anschließend wird die Entwicklung eines Smarthome-Szenarios beschrieben, das im "Interaktive Verteilte Systeme Labor" an der Hochschule Offenburg zur Anwendung kommt.
Um die Umgebung während der Durchführung von Laborversuchen zu verbessern,werden die Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität, Lautstärke und Lichtstärke im Labor gemessen.
Diese Werte werden anhand von Lichtern, die ihre Farbe ändern und einer Steckdose, die sich je ach Wert ein- und ausschaltet, visualisiert.