Forwarding fault detection in wireless community networks

Abstract

Wireless community networks (WCN) are specially vulnerable to routing forwarding failures because of their intrinsic characteristics: use of inexpensive hardware that can be easily accessed; managed in a decentralized way, sometimes by non-expert administrators, and open to everyone; making it prone to hardware failures, misconfigurations and malicious attacks. To increase routing robustness in WCN, we propose a detection mechanism to detect faulty routers, so that the problem can be tackled. Forwarding fault detection can be explained as a 4 steps process: first, there is the need of monitoring and summarizing the traffic observed; then, the traffic summaries are shared among peers, so that evaluation of a router's behavior can be done by analyzing all the relevant traffic summaries; finally, once the faulty nodes have been detected a response mechanism is triggered to solve the issue. The contributions of this thesis focus on the first three steps of this process, providing solutions adapted to Wireless Community Networks that can be deployed without the need of modifying its current network stack. First, we study and characterize the distribution of the error of sketches, a traffic summary function that is resilient to packet dropping, modification and creation and provides better estimations than sampling. We define a random process to describe the estimation for each sketch type, which allows us to provide tighter bounds on the sketch accuracy and choose the size of the sketch more accurately for a set of given requirements on the estimation accuracy. Second, we propose KDet, a traffic summary dissemination and detection protocol that, unlike previous solutions, is resilient to collusion and false accusation without the need of knowing a packet's path. Finally, we consider the case of nodes with unsynchronized clocks and we propose a traffic validation mechanism based on sketches that is capable of discerning between faulty and non-faulty nodes even when the traffic summaries are misaligned, i.e. they refer to slightly different intervals of time.

Las redes comunitarias son especialmente vulnerables a errores en la retransmisión de paquetes de red, puesto que están formadas por equipos de gama baja, que pueden ser fácilmente accedidos por extraños; están gestionados de manera distribuida y no siempre por expertos, y además están abiertas a todo el mundo; con lo que de manera habitual presentan errores de hardware o configuración y son sensibles a ataques maliciosos. Para mejorar la robustez en el enrutamiento en estas redes, proponemos el uso de un mecanismo de detección de routers defectuosos, para así poder corregir el problema. La detección de fallos de enrutamiento se puede explicar como un proceso de 4 pasos: el primero es monitorizar el tráfico existente, manteniendo desde cada punto de observación un resumen sobre el tráfico observado; después, estos resumenes se comparten entre los diferentes nodos, para que podamos llevar a cabo el siguiente paso: la evaluación del comportamiento de cada nodo. Finalmente, una vez hemos detectado los nodos maliciosos o que fallan, debemos actuar con un mecanismo de respuesta que corrija el problema. Esta tesis se concentra en los tres primeros pasos, y proponemos una solución para cada uno de ellos que se adapta al contexto de las redes comunitarias, de tal manera que se puede desplegar en ellas sin la necesidad de modificar los sistemas y protocolos de red ya existentes. Respecto a los resumenes de tráfico, presentamos un estudio y caracterización de la distribución de error de los sketches, una estructura de datos que es capaz de resumir flujos de tráfico resistente a la pérdida, manipulación y creación de paquetes y que además tiene mejor resolución que el muestreo. Para cada tipo de sketch, definimos una función de distribución que caracteriza el error cometido, de esta manera somos capaces de determinar con más precisión el tamaño del sketch requerido bajo unos requisitos de falsos positivos y negativos. Después proponemos KDet, un protocolo de diseminación de resumenes de tráfico y detección de nodos erróneos que, a diferencia de protocolos propuestos anteriormente, no require conocer el camino de cada paquete y es resistente a la confabulación de nodos maliciosos. Por último, consideramos el caso de nodos con relojes desincronizados, y proponemos un mecanismo de detección basado en sketches, capaz de discernir entre los nodos erróneos y correctos, aún a pesar del desalineamiento de los sketches (es decir, a pesar del que estos se refieran a momentos de tiempo ligeramente diferentes).