Architectures and Protocols for Secure and Energy-Efficient Integration of Wireless Sensor Networks with the Internet of Things

par Malisa Vucinic

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Bernard Tourancheau, Franck Rousseau et de Laurent Damon.

Le président du jury était Fabrice Valois.

Le jury était composé de Enzo Mingozzi, Thiemo Voigt.

Les rapporteurs étaient Nathalie Mitton, Yacine Challal.

  • Titre traduit

    Architectures et protocoles pour une intégration sécurisée et économe en énergie des réseaux de capteurs dans l’Internet des objets


  • Résumé

    Nos recherches se situent à l'intersection des sphères académiques et industrielles et des organismes de standardisation pour permettre la mise en place d'un Internet des objets (IoT) sécurisé et efficace.Nous étudions des solutions de sécurisation en parcourant les standards de manière ascendante.En premier lieu, nous constatons que l'accélération matérielle des algorithmes de cryptographie est nécessaire pour les équipements formant l'IoT car il permet une reduction de deux ordres de grandeur des durées de calcul.Le surcoût des opérations cryptographiques n'est cependant qu'un des facteurs qui gouverne la performance globale dans le contexte des systèmes en réseau.Nous montrons à travers l'implementation d'applications pratiques que les dispositifs de sécurité de la couche 2 n'augmentent que de quelques pourcents la dépense énergétique totale.Ceci est acceptable, même pour les systèmes les plus contraints, comme ceux utilisant la recuperation d'énergie ambiante.La sécurité de la couche 2 contraint de faire confiance à chacun des noeuds du chemin de communication comprenant potentiellement des éléments malveillants, nous devons donc protéger le flux de données par un mécanisme de bout en bout.Nous étudions le protocole DTLS, standard de l'IETF pour la sécurité de l'IoT.Nous contribuons aux discussions sur l'intérêt de DTLS dans les environnements contraints, à la fois dans les organismes de standardisation et de recherche.Nous évaluons DTLS de manière étendue avec différents réseaux à cycle d'activité ou duty cycle au travers d'expérimentations, d'émulations et d'analyses.De manière surprenante, nos résultats démontrent la très faible performance de DTLS dans ces réseaux où l'efficacité énergétique est primordiale.Comme un client et un serveur DTLS échangent beaucoup de paquets de signalisation, la connection DTLS prends entre quelques secondes et quelques dizaines de secondes, ceci pour plusieurs des protocoles étudiés.DTLS a été conçu pour les communications de bout en bout dans l'Internet classique, contrairement au nouveau protocol CoAP qui lui est destiné à des machines contraintes en facilitant le traffic asynchrone, les communications de groupe et le besoin de stockage intermédiaire.Donc, en plus du problème de performance, l'architecture de sécurité basée sur DTLS n'est pas capable de répondre aux contraintes de ces dispositifs et CoAP devient inutilisable.Nous proposons une architecture qui s'appuie à la fois sur une approche centrée sur le contenu et sur la notion classique de connection.L'échange des clefs est fait à travers des canaux sécurisés établis par DTLS, mais la notion d'états entre les entités de communication est supprimée grâce au concept d'objets sécurisés.Le mécanisme proposé resiste aux attaques par rejeu en regroupant les capacités de controle d'accès avec les en-tetes de communication CoAP.OSCAR, notre architecture à objets sécurisés, supporte intrinsèquement les communications de groupe et le stockage intermédiaire, sans perturber le fonctionnement à cycle d'activité de la radio des équipements contraintes.Les idées d'OSCAR sont discutés par les groupes de standardisation de l'Internet en vue d'être intégrées dans les standards à venir.


  • Résumé

    Our research explores the intersection of academic, industrial and standardization spheres to enable secure and energy-efficient Internet of Things. We study standards-based security solutions bottom-up and first observe that hardware accelerated cryptography is a necessity for Internet of Things devices, as it leads to reductions in computational time, as much as two orders of magnitude. Overhead of the cryptographic primitives is, however, only one of the factors that influences the overall performance in the networking context. To understand the energy - security tradeoffs, we evaluate the effect of link-layer security features on the performance of Wireless Sensors Networks. We show that for practical applications and implementations, link-layer security features introduce a negligible degradation on the order of a couple of percent, that is often acceptable even for the most energy-constrained systems, such as those based on harvesting.Because link-layer security puts trust on each node on the communication path consisted of multiple, potentially compromised devices, we protect the information flows by end-to-end security mechanisms. We therefore consider Datagram Transport Layer Security (DTLS) protocol, the IETF standard for end-to-end security in the Internet of Things and contribute to the debate in both the standardization and research communities on the applicability of DTLS to constrained environments. We provide a thorough performance evaluation of DTLS in different duty-cycled networks through real-world experimentation, emulation and analysis. Our results demonstrate surprisingly poor performance of DTLS in networks where energy efficiency is paramount. Because a DTLS client and a server exchange many signaling packets, the DTLS handshake takes between a handful of seconds and several tens of seconds, with similar results for different duty cycling protocols.But apart from its performance issues, DTLS was designed for point-to-point communication dominant in the traditional Internet. The novel Constrained Ap- plication Protocol (CoAP) was tailored for constrained devices by facilitating asynchronous application traffic, group communication and absolute need for caching. The security architecture based on DTLS is, however, not able to keep up and advanced features of CoAP simply become futile when used in conjunction with DTLS. We propose an architecture that leverages the security concepts both from content-centric and traditional connection-oriented approaches. We rely on secure channels established by means of DTLS for key exchange, but we get rid of the notion of “state” among communicating entities by leveraging the concept of object security. We provide a mechanism to protect from replay attacks by coupling the capability-based access control with network communication and CoAP header. OSCAR, our object-based security architecture, intrinsically supports caching and multicast, and does not affect the radio duty-cycling operation of constrained devices. Ideas from OSCAR have already found their way towards the Internet standards and are heavily discussed as potential solutions for standardization.


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