Sichere und genaue Zeitsynchronisation für drahtlose Multi-Hop-Netzwerke

In vielen IoT-Szenarien ist eine sicher synchronisierte Zeit entscheidend für die Sicherheit: Eine Sicherheitslücke in der Zeitsynchronisation kann oft für Replay-Angriffe oder die Verwendung abgelaufener kryptografischer Schlüssel ausgenutzt werden. Daher beruht die Sicherheit des gesamten Systems oft auf der Sicherheit der Zeitsynchronisation. Andererseits gibt es Anwendungsfälle, die strenge Anforderungen an die Genauigkeit der Zeitsynchronisation stellen. Diese Anwendungsfälle sind häufig im Bereich der industriellen Steuerung zu finden, aber auch drahtlose Multiroom-Audiogeräte oder einige Ansätze zur Indoor-Positionierung erfordern eine hochgenaue Zeitsynchronisation.

Aktuelle Lösungen für die Zeitsynchronisierung bieten nicht die erforderliche Sicherheit und Genauigkeit oder sind für die drahtlose Kommunikation oder die Synchronisierung über mehrere Zwischenstationen schlecht geeignet. Beispiele für solche Lösungen sind PTP [1], das eine genaue Zeitsynchronisation ermöglicht, aber erst kürzlich eine optionale Sicherheitserweiterung erhielt, die noch nicht weit verbreitet ist. Obwohl PTP nur für Ethernet spezifiziert ist, könnte es auch mit drahtlosen Kommunikationsschnittstellen verwendet werden [2]. Allerdings wurde PTP mit Blick auf die minimale Rahmengröße von Ethernet entwickelt, was im drahtlosen Anwendungsfall zu einem hohen Overhead und langen Übertragungszeiten führt.

Andere Lösungen wie LATe [3] wurden speziell für IoT-Anwendungsfälle entwickelt, so dass kompakte Nachrichtenformate verwendet werden und die Sicherheitsfunktionen in das Protokoll integriert sind und nicht als nachträglicher Einfall. Dies macht LATe zu einer ausgezeichneten Wahl, wenn eine sicher synchronisierte Systemzeit mit sekundengenauer Genauigkeit benötigt wird, z. B. für die Validierung von kryptografischen Signaturen. LATe kann jedoch keine strengen Genauigkeitsanforderungen erfüllen und ist daher nur für eine Teilmenge der IoT-Szenarien geeignet.

Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, ein sicheres Zeitsynchronisationsprotokoll für das IoT zu entwickeln, das optional eine Genauigkeit im Sub-Mikrosekundenbereich bieten kann. Hohe Synchronisationsgenauigkeit auch in Multi-Hop-Szenarien und minimaler Kommunikations-Overhead sind explizite Designziele des Protokolls. Schließlich soll die Zeitsynchronisation wenig Informationen über die Topologie des drahtlosen Netzwerks preisgeben und robust gegen Jitter-Angriffe auf die Synchronisationsgenauigkeit sein.

[1]: IEEE Instrumentation and Measurement Society, "IEEE Draft Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems Amendment: Master-Slave optional alternative Terminologie", 2020, https://standards.ieee.org/ieee/1588g/10478/

[2]: G. von Zengen, K. Garlichs, Y. Schrcöder und L. C. Wolf, "A sub-microsecond clock synchronization protocol for wireless industrial monitoring and control networks," IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2017, https://doi.org/10.1109/ICIT.2017.7915545

[3]: R. E. Navas und L. Toutain, "LATe: A Lightweight Authenticated Time Synchronization Protocol for IoT", Global Internet of Things Summit (GIoTS), 2018, https://doi.org/10.1109/GIOTS.2018.8534565

Secure and Accurate Time Synchronization for Wireless Multi-Hop Networks

In many IoT scenarios securely synchronized time is crucial for security: A security flaw in time synchronization can often be exploited for replay attacks or the use of expired cryptographic key. Hence, the security of the whole system often is built upon the security of the time synchronization. On the hand there are use cases that have strict requirements on the accuracy of time synchronization. These use cases are often found in the domain of industrial control, but also wireless multi-room audio devices or for some approaches for indoor positioning highly accurate time synchronization is needed.

Current solutions for time synchronization cannot provide the required security, the required accuracy, or are ill-suited for wireless communication or multi-hop synchronization. Examples of such solutions include PTP [1] that can provide accurate time synchronization, but only recently got an optional security extension that are not yet widely adopted. Even though PTP is only specified for Ethernet, it could be used with wireless communication interfaces [2]. However, PTP was designed with the minimum frame size of Ethernet in mind, resulting in high overhead and long air times in the wireless use case.

Other solutions such as LATe [3] are specifically engineered for IoT use cases, so that compact message formats are used and security features are baked into the protocol, rather than being an afterthought. This makes LATe an excellent choice when a securely synchronized system time with accuracy measured in seconds is needed, such as for validating cryptographic signatures. Yet, LATe cannot address strict accuracy requirements, making it only suitable for a subset of IoT scenarios.

This research project aims to develop a secure time synchronization protocol for the IoT that optionally can provide sub-microsecond accuracy. High synchronization accuracy even in multi-hop scenarios and minimal communication overhead are explicit design goals of the protocol. Finally, the time synchronization should leak little information about the topology of the wireless network and be robust against jitter attacks on the synchronization accuracy.

[1]: IEEE Instrumentation and Measurement Society, "IEEE Draft Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems Amendment: Master-slave optional alternative terminology", 2020, https://standards.ieee.org/ieee/1588g/10478/

[2]: G. von Zengen, K. Garlichs, Y. Schrcöder and L. C. Wolf, "A sub-microsecond clock synchronization protocol for wireless industrial monitoring and control networks," IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2017, https://doi.org/10.1109/ICIT.2017.7915545

[3]: R. E. Navas and L. Toutain, "LATe: A Lightweight Authenticated Time Synchronization Protocol for IoT," Global Internet of Things Summit (GIoTS), 2018, https://doi.org/10.1109/GIOTS.2018.8534565