Processus sécurisés de dématérialisation de cartes sans contact

par Mohamed Amine Bouazzouni

Thèse de doctorat en Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture

Sous la direction de Fabrice Peyrard et de Emmanuel Conchon.

Le président du jury était Marie-Pierre Gleizes.

Le jury était composé de Samia Bouzefrane, Benjamin Nguyen, Pierre Paradinas.

Les rapporteurs étaient Samia Bouzefrane, Benjamin Nguyen.


  • Résumé

    Au fil des années, la technologie sans contact NFC s'est imposée dans notre quotidien au travers des différents services proposés. Les cas d'utilisation sont nombreux allant des cartes de fidélité, des cartes de transport, des cartes de paiement sans contact jusqu'aux cartes de contrôle d'accès. Cependant, les premières générations des cartes NFC ont une sécurité minimale reposant sur l'hypothèse de leur non-clonabilité. De multiples vulnérabilités ont été découvertes et leur exploitation a permis des copies frauduleuses. Afin de remédier à ces vulnérabilités, une nouvelle génération de cartes à la sécurité augmentée a vu le jour. Ces cartes permettent une authentification avec un lecteur basée sur des algorithmes de chiffrements symétriques tels qu'AES, DES, et 3DES. Elles sont plus robustes que la première génération mais ont subi des également une attaque en reverse-engineering. Pour garantir et améliorer le niveau de sécurité du système de contrôle d'accès, nous proposons dans le cadre de l'opération neOCampus, la dématérialisation sécurisée de la carte sans contact sur un smartphone muni de la technologie NFC. Cette dématérialisation nous permet d'exploiter la puissance de calcul et la capacité de stockage du smartphone afin de déployer des algorithmes d'authentification plus robustes. Cependant, l'OS du smartphone ne peut être considéré comme un environnement de confiance. Afin de répondre à la problématique du stockage et du traitement sécurisés sur un smartphone, plusieurs solutions ont été proposées : les Secure Elements (SE), les Trusted Platform Module (TPM), les Trusted Execution Environment (TEE) et la virtualisation. Afin de stocker et de traiter de manière sécurisée les données d'authentification, le TEE apparait comme la solution idéale avec le meilleur compromis sécurité/performances. Cependant, de nombreux smartphones n'embarquent pas encore de TEE. Pour remédier à cette contrainte, nous proposons une architecture basée sur l'utilisation de TEEs déportés sur le Cloud. Le smartphone peut le contacter via une liaison Wi-Fi ou 4G. Pour se faire, un protocole d'authentification basé sur IBAKE est proposé. En plus de ce scénario nominal, deux autres scenarii complémentaires ont été proposés permettant d'accompagner le développement et la démocratisation des TEE non seulement dans le monde des smartphones mais aussi sur des dispositifs peu onéreux comme le Raspberry Pi 3. Ces architectures déploient le même algorithme d'authentification que le scénario nominal. Nous proposons aussi une architecture hors ligne permettant à un utilisateur de s'authentifier à l'aide d'un jeton de connexion en cas d'absence de réseaux sans fil. Cette solution permet de relâcher la contrainte sur la connectivité du smartphone à son Cloud. Nous procédons à une évaluation de l'architecture de dématérialisation et de l'algorithme d'authentification en terme de performances et de sécurité. Les opérations cryptographiques du protocole d'authentification sont les plus coûteuses. Nous avons alors procédé à leur évaluation en nous intéressant en particulier aux opérations de chiffrement IBE et à la génération de challenges ECC. Nos implémentations ont été évaluées pour l'infrastructure Cloud et l'environnement mobile. Nous avons ensuite procédé à une validation du protocole d'authentification sur les trois architectures sélectionnées à l'aide de l'outil Scyther. Nous avons montré, que pour les trois scenarii, la clé de session négociée via le protocole d'authentification restait secrète durant tout le protocole. Cette caractéristique nous garantit que les données d'authentification chiffrées avec cette clé resteront secrètes et que la phase d'identification de la personne est protégée tout en préservant l'ergonomie du système existant.

  • Titre traduit

    Secure processes of dematerialization of contactless cards


  • Résumé

    Over the years, the Near Field Communication technology has emerged in our daily lives through a variety of services. There are several use cases for contactless cards : loyalty cards, metro and bus cards, payment cards and access control cards. However, the first version of these cards has a low security level that is based on the assumption that the cards can not be cloned. To address this issue, a new version of NFC cards has been developed. It allows an authentication with the NFC reader through symmetric encryption algorithms such as AES, DES or 3DES. These cards are more robust that the previous ones. However, these cards have also undergone a reverseengineering attack. We propose, in the context of the neOCampus project, to replace the contactless cards with a smartphone equipped with the NFC capabilities. This process, called dematerialization, allows us to take advantage of the computational power and the storage capabilities of the smartphone to deploy more complex and robust authentication algorithms. However, the OS of the smartphone can not be considered as a trusted environment for the storage and the processing of sensitive data. To address these issues, several solutions were proposed : Secure Elements (SE), Trusted Platform Module (TPM), Trusted Execution Environment (TEE) and Virtualization. In order to store and process securely authentication data, the TEE seems to be the best trade-off between security and performances. Nevertheless, many smartphones do not embeed TEE and it is necessary to negotiate agreements with the TEE manufacturers in order to deploy a secure application on it. In order to figure out these issues, we propose to set up an architecture with a TEE in the Cloud. The smartphone has a secure Cloud that can be reached through a Wi-Fi or 4G connection. The reader has also its own secure Cloud reachable with an Ethernet link. An authentication protocol based on IBAKE is also proposed. In addition to this scenario, two other scenarios were proposed to follow the development and democratization of the TEE on the smartphones and on some inexpensive devices such as Raspberry Pi 3. These alternative architectures deploy the same authentication protocol as the main scenario. We propose an offline architecture allowing a user to authenticate using a connection token. This solution relaxes the connectivity constraint between the smartphone and its secure Cloud. We perform an evaluation of our architecture and of the authentication algorithm in terms of performances and security. The cryptographical operations of the authentication protocol are the most consuming operations in term of performance. We have chosen to target these operations especially the encryption with the IBE and the ECC challenges generation. Our implementations have been evaluated for a Cloud infrastructure and a mobile-like environment. We also perform a formal verification of the authentication protocol through the three considered architectures with Scyther. We showed that, for the three scenarios, that the session key negotiated through the authentication protocol remains secret during the overall execution of the protocol. These characteristic guarantee that the authentication data encrypted with this key will remain secret and that this step of the algorithm will be secure while preserving the ergonomy of the existing system.


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