Secure and Reliable Communication Protocols in Industrial IoT Networks

Abstract

The security and reliability of network protocols have undergone a major transformation in recent years, and new network architectures such as industrial Internet of Things (IoT) networks have led to the emergence of new communication paradigms such as decentralised Blockchain networks. These networks represent a substantial advance in terms of system security, but without neglecting the physical security of IoT devices, which must be protected with hardware security elements. The joint application of Blockchain technologies with hardware security is essential in these new architectures. This doctoral thesis is the result of the research carried out on these technologies and their application in industrial IoT environments. Thus, this work describes the integration of Blockchain technologies and hardware security devices, pointing out which protocols and requirements are necessary to carry out a successful integration. Subsequently, the application of Blockchain and hardware security elements in virtualised environments has been investigated by applying them to microservices-based architectures. The use of Blockchain in industrial IoT networks introduces new concepts such as Oracles, which are entities that provide truthful information to the Blockchain network. This concept is discussed in this thesis, where a design is proposed using a two-core hardware platform isolating one of them for the execution of a secure environment. The prototype of this concept is using in a logistic use case for wine supply chain. Finally, a use case is presented, by simulating a smart grid where different entities exchange energy certificates without the intervention of third parties, thus automating processes through smart contracts. The research has been carried out under a doctoral contract at the premises of Infineon Technologies AG, at its headquarters in Munich, Germany.

La seguridad y fiabilidad en los protocolos de red han sufrido una gran transformación en los últimos anos de la mano de nuevas arquitecturas de red como las redes industriales de dispositivos del Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT), que han hecho aparecer nuevos paradigmas de comunicaciones como las redes descentralizadas de Blockchain. Estas redes suponen un avance sustancial en cuanto a la seguridad de los sistemas se refiere, pero sin descuidar a la seguridad física de los dispositivos IoT, los cuales, han de ser protegidos con elementos de seguridad hardware. Así, la aplicación conjunta de tecnologías de Blockchain con la seguridad hardware se muestra imprescindible en estas nuevas arquitecturas. Esta tesis doctoral es el resultado de la investigación realizada sobre estas tecnologías y su aplicación en entornos industriales de IoT. En la misma se describe la integración de las tecnologías de Blockchain y de dispositivos de seguridad hardware, señalando qué protocolos y qué requisitos son los necesarios para llevar a cabo una integración exitosa. Seguidamente, se ha investigado la aplicación de Blockchain y de los elementos de seguridad hardware en entornos virtualizados, aplicándolos a las arquitecturas basadas en microservicios. El uso de Blockchain en redes industriales de IoT introduce nuevos conceptos como son los Oráculos, estas entidades proveen información veraz a la red de Blockchain. Este concepto se discute en esta tesis, donde se propone un diseño usando una plataforma hardware de dos núcleos aislando uno de ellos para la ejecución de un entorno seguro. El prototipo se demuestra en un caso de uso relacionado con la cadena logística del vino. Finalmente, se expone un caso de uso, simulando una ”smart grid” donde diferentes entidades intercambian certificados de energía verde sin la intervención de terceros, automatizando procesos a través de ”smart contracts”. La investigación se ha realizado bajo un contrato doctoral en las instalaciones de Infineon Technologies AG, en su sede principal de Múnich, Alemania.