Module de confiance pour externalisation de données dans le Cloud

par Levent Demir

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Vincent Roca et de Jean-Louis Roch.

Soutenue le 07-12-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Grenoble, Isère) (laboratoire) et de Privacy Models, Architectures and Tools for the Information Society (équipe de recherche) .

Le président du jury était Benjamin Nguyen.

Le jury était composé de Benjamin Nguyen, Maryline Laurent, Jean-Michel Tenkes.

Les rapporteurs étaient Luc Bouganim, Pascal Lafourcade.


  • Résumé

    L’externalisation des données dans le Cloud a engendré de nouvelles problématiques de sécurité. L’enjeu est de protéger les données des utilisateurs et leur vie privée. En ce sens, deux principes ont été suivis durant cette thèse : le premier est d’avoir une confiance limitée envers l’hébergeur de données (entre autres), le deuxième est d’établir une architecture basée sur un modulede confiance placé en rupture entre le poste client et le Cloud, d’où l’approche "Trust The Module,Not The Cloud" (TTM).Déléguer donc les opérations de sécurité à un module matériel dédié permet alors plusieurs bénéfices : d’abord s’affranchir d’un poste client davantage vulnérable face à des attaques internes ou externes ; ensuite limiter les composants logiciels au strict minimum afin d’avoir un meilleur contrôle du fonctionnement et enfin dédier les opérations cryptographiques à des co-processeurs spécialisés afin d’obtenir des performances élevées. Ainsi, les travaux menés durant cette présente thèse suivent trois axes. Dans un premieraxe nous avons étudié les défis d’un Cloud personnel destiné à protéger les données d’un particulier, et basé sur une carte nano-ordinateur du marché peu coûteuse. L’architecture que nous avons définie repose sur deux piliers : une gestion transparente du chiffrement grâce à l’usage d’un chiffrement par conteneur appelé Full Disk Encryption (FDE), initialement utilisédans un contexte de protection locale (chiffrement du disque d’un ordinateur ou d’un disque dur externe) ; et une gestion transparente de la distribution grâce à l’usage du protocole iSCSI qui permet de déporter le conteneur sur le Cloud. Nous avons montré que ces deux piliers permettent de construire un service sécurisé et fonctionnellement riche grâce à l’ajout progressif de modules"sur étagère" supplémentaires.Dans un deuxième axe, nous nous sommes intéressés au problème de performance lié à l’usage du FDE. Une étude approfondie du mode de chiffrement XTS-AES recommandé pour le FDE, du module noyau Linux dm-crypt et des co-processeurs cryptographiques (ne supportant pas tous le mode XTS-AES), nous ont conduit à proposer différentes optimisations dont l’approche extReq, qui étend les requêtes cryptographiques envoyées aux co-processeurs. Ces travaux nousont ainsi permis de doubler les débits de chiffrement et déchiffrement.Dans un troisième axe, afin de passer à l’échelle, nous avons utilisé un module de sécurité matériel (Hardware Secure Module ou HSM) certifié et plus puissant, dédié à la protection des données et à la gestion des clés. Tout en capitalisant sur l’architecture initiale, l’ajout du module HSM permet alors de fournir un service de protection adapté aux besoins d’une entreprise par exemple.

  • Titre traduit

    Trusted module for data outsourcing in Cloud


  • Résumé

    Data outsourcing to the Cloud has led to new security threats. The main concerns of this thesis are to protect the user data and privacy. In particular, it follows two principles : to decrease the necessary amount of trust towards the Cloud, and to design an architecture based on a trusted module between the Cloud and the clients. Both principles are derived from a new design approach : "Trust The Module, Not The Cloud ".Gathering all the cryptographic operations in a dedicated module allows several advantages : a liberation from internal and external attacks on client side ; the limitation of software to the essential needs offers a better control of the system ; using co-processors for cryptographic operations leads to higher performance.The thesis work is structured into three main sections. In the first section , we confront challenges of a personal Cloud, designed to protect the users’ data and based on a common and cheap single-board computer. The architecture relies on two main foundations : a transparent encryption scheme based on Full Disk Encryption (FDE), initially used for local encryption (e.g., hard disks), and a transparent distribution method that works through iSCSI network protocol in order to outsource containers in Cloud.In the second section we deal with the performance issue related to FDE. By analysing the XTS-AES mode of encryption, the Linux kernel module dm-crypt and the cryptographic co-processors, we introduce a new approach called extReq which extends the cryptographic requests sent to the co-processors. This optimisation has doubled the encryption and decryption throughput.In the final third section we establish a Cloud for enterprises based on a more powerful and certified Hardware Security Module (HSM) which is dedicated to data encryption and keys protection. Based on the TTM architecture, we added "on-the-shelf" features to provide a solution for enterprise.


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