PRISEC IV: A dynamic cryptographic approach for secure IoT environments

Abstract

The growing use of Internet of Things (IoT) devices in critical environments, such as high-impact defense operations or healthcare scenarios, has increased the need for new security mechanisms capable of protecting the transmission of sensitive information and ensuring its confidentiality without compromising operational efficiency.In this context, this dissertation presents PRISEC IV, an evolution of the PRISEC framework designed to secure communications in IoT environments. The proposal introduces a dynamic cryptographic approach in which algorithm selection no longer depends exclusively on predefined static combinations. This dynamic selection mechanism, based on a pseudo-random generator, makes it possible to construct multiple cryptographic solutions, thereby reducing predictability and increasing the diversity of possible combinations.The proposed architecture reorganizes the cryptographic model through an Algorithm Pool that centralizes the algorithms, a level- and method-role-based structure, a mechanism for generating non-deterministic random values (seed), a pseudo-random number generator (PRNG), and a Combination History that prevents the consecutive repetition of cryptographic pipelines. In addition, a review of the algorithms used in previous versions led to the addition of a new cryptographic algorithm, AES-256-SIV, and the removal of the Blowfish algorithm.An experimental evaluation was conducted using a framework based on the presented architectural principles. This evaluation aimed to validate PRISEC IV not only in terms of cryptographic variability but also regarding the efficiency trade-off. The results were compared with the previous version, PRISEC III.In this way, this project seeks to offer a new cryptographic approach within the PRISEC system.

A crescente utilização de dispositivos da Internet das Coisas (IoT) em ambientes críticos, como operações de elevado impacto na área da defesa ou cenários no contexto da saúde, tem aumentado a necessidade de implementação de novos mecanismos de segurança capazes de proteger a transmissão de informação sensível, garantindo a sua confidencialidade sem comprometer a eficiência operacional.Neste contexto, esta dissertação apresenta o PRISEC IV, uma evolução da framework PRISEC, concebida para proteger comunicações em ambientes IoT. A proposta introduz uma abordagem criptográfica dinâmica, na qual a seleção dos algoritmos deixa de depender exclusivamente de combinações estáticas previamente definidas. Este mecanismo de seleção dinâmica, baseado num gerador pseudoaleatório, permite construir diferentes soluções criptográficas, reduzindo a previsibilidade e aumentando a diversidade das combinações possíveis.A arquitetura proposta reorganiza o modelo criptográfico através de um Algorithm Pool que centraliza os algoritmos, de uma estrutura baseada em funções de níveis e métodos, de um mecanismo de geração de valores aleatórios não-determinísticos (seed), de um gerador de números pseudoaleatórios (PRNG) e de um Combination History que previne a repetição consecutiva de pipelines criptográficos. Adicionalmente, foi feita uma revisão dos algoritmos utilizados em versões anteriores, resultando na adição de um novo algoritmo criptográfico, o AES-256-SIV, e na remoção do algoritmo Blowfish.Foi realizada uma avaliação experimental através de uma framework baseada nos princípios arquiteturais apresentados. Esta avaliação teve como objetivo validar o PRISEC IV, não só em termos de variabilidade criptográfica, mas também no que diz respeito ao seu compromisso com a eficiência (trade-off). Os resultados obtidos foram comparados com a versão anterior, o PRISEC III.Desta forma, este projeto procura oferecer uma nova abordagem criptográfica dentro do sistema PRISEC.