SAHARA: a novel approach for information dissemination and network integrity monitoring in ad-hoc networked robotics

With robotic swarms currently at the edge of state-of-the-art in autonomous and collective intelligence, ensuring seamless communication and resilience in their networks becomes a central concern. This thesis presents SAHARA, a Secure Ad-Hoc Advanced Resilient Architecture designed, with MANETs from robotic swarms in perspective, to face some challenges related to information dissemination and network integrity. These latter operate without a fixed infrastructure, normally used in critical environments, and thus require particular and effective mechanisms for data sharing among mobile nodes in addition to the common routing solutions. The proposed SAHARA framework embeds a reputation-based system that helps enhance routing and security through a newly designed framework, namely SAHARA Sync, which manages a spanning tree and uses Bloom filters for efficiently disseminating the necessary node information throughout the network. Finally, SAHARA offers a refined methodology for tracking and verifying interactions within the network, ensuring data integrity and securing the network against malicious actors (SAHARA Security module). It combines the power of disseminating information to implement a consensus mechanism able to achieve common decisions about a node's reputation. Simulation results performed with NS3 (Network Simulator v3) are presented as evidence of the superiority of SAHARA against classic flooding methods about reduced communication overhead and resiliency against malicious node behaviors showing how the optimal network state is recovered over time. This architecture ensures reliable information sharing and secure routing, including a scalable solution for ad hoc networked robotics and new pathways toward security, resilience, and efficiency in the operations of networked systems that operate in dynamic infrastructure-less environments.

Al giorno d'oggi l'utilizzo di sciami robotici (chiamati Robot Swarm, composti da robot o droni) sta diventando sempre più comune per missioni in ambienti critici, dove spesso l'intervendo dell'uomo non è neanche possibile. Stiamo quindi parlando di particolari reti chiamate Wireless Mobile Ad-Hoc Network (WANET o MANET) nelle quali i dispositivi sono mobili e comunicano senza fili. Garantire una comunicazione efficiente e stabile tra i nodi di queste reti è fondamentale per il successo di una missione. Questa tesi introduce SAHARA (Secure Ad-Hoc Advanced Resilient Architecture), un framework progettato appositamente per risolvere esigenze richieste in particolari scenari che richiedono la condivisione delle informazioni presenti in ogni dispositivo della rete con gli altri per scopi specifici. Queste reti, impiegate in ambienti critici privi di infrastrutture, quindi anche privi di un'autorità centrale che li controlli, richiedono meccanismi avanzati per la diffusione delle informazioni che vanno ben oltre le soluzioni di routing tradizionali. SAHARA propone un approccio basato sulla reputazione per rafforzare il routing e la sicurezza in termini di integrità della rete. Organizzando la rete in una struttura ad albero (spanning tree) e utilizzando i Bloom filter per un'efficace riconciliazione tra i dataset nei vari nodi, SAHARA Sync garantisce che tutti i nodi rimangano informati e sincronizzati. Inoltre, SAHARA introduce un metodo per verificare le interazioni all'interno della rete (SAHARA Security), stabilendo una solida base per l'integrità e la tracciabilità dei dati. Questo approccio implementa un meccanismo di consenso (SAHARA Consensus) che favorisce decisioni collaborative sulla reputazione dei nodi, migliorando la capacità dello swarm di rispondere ad attacchi interni o a malfunzionamenti degli stessi. I risultati delle simulazioni effettuate usando NS3 (Network Simulator v3) evidenziano la superiorità di SAHARA rispetto ai metodi di flooding tradizionali, mostrando una significativa riduzione in termini di costo necessario per la trasmissione dei dati nonché il numero di trasmissioni necessarie per raggiungere uno stato in cui tutti i nodi dispongono dello stesso set di informazioni. Inoltre, si evidenzia la capacità delle rete di collaborare per ripristinare uno stato ottimale quando un nodo non si comporta come dovrebbe a seguito di una sua compromissione o routing basato sulla reputazione.