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Secure device-to-device communication for emergency response

Álvarez, Flor (2020):
Secure device-to-device communication for emergency response.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00011486,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Secure device-to-device communication for emergency response
Language: English
Abstract:

Mobile devices have the potential to make a significant impact during disasters. However, their practical impact is severely limited by the loss of access to mobile communication infrastructure: Precisely, when there is a surge in demand for communications from people in a disaster zone, this capacity for communications is severely curtailed. This loss of communications undermines the effectiveness of the many recent innovations in the use of smartphones and similar devices to mitigate the effects of disasters. While various solutions have been proposed, e. g., by having handsets form wireless ad hoc networks, none are complete: Some are specific to certain mobile operating systems or operating system versions. Others result in unacceptably increased energy consumption, flattening the batteries of phones at a time when users need to conserve energy due to the loss of access to opportunities to recharge their mobile devices. Realistic user behaviour, including patterns of movement and communications, are also rarely addressed. Further, security is rarely considered in a comprehensive and satisfying manner, leaving users exposed to a variety of potential attacks. Thus there is a compelling need to find more effective solutions for communications, energy management, and security of mobile devices operating in disaster conditions. To address these shortcomings, this thesis provides a suite of comprehensive solutions that contribute to facilitate secure device-to-device communication for emergency response. This thesis works to solve these problems by: (i) Conducting a large-scale field-trial to understand and analyze civilians’ behaviour during disaster scenarios; (ii) Proposing a practical, lightweight scheme for bootstrapping device-to-device security, that is tailored for local urban operations representative of disaster scenarios; (iii) Realizing novel energy management strategies for the neighbour discovery problem, which deliver significant energy savings in return for only a minimal reduction in neighbour discovery efficiency; (iv) The description of novel concepts for using devices in a smart city environment that remain functional following a disaster to support communications among mobile devices. In short, this thesis adds considerably to the understanding of the difficulties in the formation of direct device-to-device communications networks composed primarily of civilians’ mobile devices, and how several facets of this problem can be mitigated. Several of the proposed enhancements are also implemented. Thus, this thesis also takes essential steps in the direction of realizing such solutions to demonstrate their feasibility on real devices, intending to improve the tools available to civilians post-disaster.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mobile Endgeräte, wie beispielsweise Smartphones, haben ein enormes Potential in Katastrophensituationen eine wichtige Rolle als Werkzeug für Einsatzkräfte und die Zivilbevölkerung zu spielen. Durch den Wegfall der Mobilfunkinfrastruktur, der häufig mit Katastrophen einhergeht, werden die praktischen Einsatzmöglichkeiten dieser Geräte jedoch drastisch reduziert. Gerade in diesen Situationen, in denen ein immenser Kommunikationsbedarf bei den Personen im Katastrophengebiet besteht, ist die Kommunikationsfähigkeit eingeschränkt oder nicht vorhanden. Dies hebelt viele der Innovationen und des technischen Fortschrittes der letzten Jahre aus, die diese Geräte in einer solchen Situation so wertvoll machen könnten, die Auswirkungen der Katastrophe zu mindern. Es gibt verschiedenste Konzepte und Lösungsvorschläge die eine direkte Kommunikation zwischen den Endgeräten ermöglichen und diese somit unabhängig von der Mobilfunkinfrastruktur werden lassen. Keine dieser Lösungen greift jedoch vollumfänglich in unserem Katastrophenszenario. So sind einige nur auf spezifischen mobilen Betriebssystemversionen verfügbar, andere führen hingegen zu unannehmbarem Energieverbrauch, in einer Situation in der Energiesparen häufig hohe Priorität hat. Andere basieren auf der individuellen Anpassung eines Betriebssystems oder benötigen Root-Zugriffsrechte und sind daher nicht praktikabel auf handelsüblichen Smartphones einzusetzen. Außerdem werden Fragen der Sicherheit nicht umfassend und zufriedenstellend gelöst und der Nutzer sieht sich daher einer Vielzahl potentieller Angriffe ausgesetzt. Zur Optimierung einer Lösung auf ein Katastrophenszenario sollte ebenfalls das Verhalten der betroffenen Bevölkerung einschließlich deren Bewegungs- und Kommunikationsmuster berücksichtig werden. Daraus lässt sich ableiten, dass hier noch ein offenes Forschungsfeld besteht, um den hohen Bedarf an eine angepasste und maßgeschneiderte Kommunikationslösung für Katastrophenfälle, die die zuvor angesprochenen Aspekte adressiert, zu decken. Diese Arbeit liefert eine Sammlung von Lösungen und Konzepten die dazu beitragen, eine sichere direkte Geräte-zu-Geräte Kommunikation für Notfallmaßnahmen im Katastrophenfall bereitzustellen. Den zuvor angesprochen Problemen wird sich durch folgenden Beiträge dieser Arbeit angenommen: (i) Die Durchführung eines groß angelegten Feldversuches, um das Verhalten von Zivilisten während einer Katastrophe zu verstehen und zu beschreiben; (ii) Den Vorschlag eines praktikablen und leichtgewichtigen Konzeptes zur Inbetriebnahme einer sicheren direkten Kommunikation zwischen Smartphones, die auf lokale urbane Katastrophenszenarien zugeschnitten ist; (iii) Der Realisierung neuer Strategien zum Energiemanagement für das Problem der Nachbarschaftserkennung, welche signifikante Energieeinsparung bieten bei nur minimaler Effizienz-Reduktion der Nachbarschaftserkennung; (iv) Eine Beschreibung eines neuartigen Konzeptes, welches es ermöglicht, im Katastrophenfall funktional gebliebene Endgeräte in einer Smart City Umgebung zur Unterstützung der mobilen Kommunikation einzusetzen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit wesentlich zum Verständnis bei, welche Problemstellung bei der Bildung von Geräte-zu-Geräte Kommunikationsnetzwerken, die hauptsächlich aus Endgeräten der Zivilbevölkerung gebildet werden, bestehen. Des Weiteren wird aufgezeigt, wie diese Probleme überwunden oder zumindest auf ein akzeptables Maß reduziert werden können. Eine Reihe der vorgeschlagenen Konzepte sind bereits implementiert und demonstrieren deren Machbarkeit auf echten Endgeräten. Damit geht diese Arbeit einen wichtigen Schritt in Richtung der Realisierung einer Lösung und versucht der Bevölkerung verbesserte Werkzeuge unmittelbar nach einem Katastrophenfall an die Hand zu geben.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 20 Department of Computer Science > Sichere Mobile Netze
Date Deposited: 02 Apr 2020 08:25
Last Modified: 09 Jul 2020 06:27
DOI: 10.25534/tuprints-00011486
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114864
Referees: Hollick, Prof. Dr. Matthias and Mauthe, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 21 February 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11486
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