Intégration des réseaux IoT dans des architectures SDN pour garantir la sécurité des données de bout en bout

Integration of IoT networks into SDN architectures to ensure end-to-end data security

• Auteur / Autrice : Abdulkadir Dauda
• Direction : Olivier Flauzac, Florent Nolot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Info - Informatique
• Date : Inscription en doctorat le 31/03/2022
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (CRESTIC) EA 3804 (Reims, Marne)

Mots clés

Mots clés libres

IoT

Sdn

Sécurité

IoT

Sdn

Security

IoT gateway

Edge Computing

Container-based gateway

Résumé

Projet Doctoral Sujet : Intégration des réseaux IoT dans des architectures SDN pour garantir la sécurité des données de bout en bout (IoT network into SDN architectures integration to insure end to end data security). Résumé du sujet Les réseaux d'objets connectés, comme l'ensemble des réseaux informatiques, se doivent d'être sécurisés. Il est nécessaire de définir des politiques de sécurité, ainsi que les solutions techniques associées, qui assurent l'intégrité, la sûreté, ainsi que l'authentification de la source des données collectées et transmises. Depuis plusieurs années les approches de type Software Defined Network (SDN), et Network Function Virtualization (NFV) [SWL+16] [KRV+15], ainsi que les développements des serveurs et services associés, ont largement contribué à la sécurisation des réseaux classiques et des datacenters. Ces solutions, qui sont particulièrement efficaces, sont aussi fortement consommatrices de ressources, que ces ressources soient calculatoires (processeur, mémoire), énergétiques, ou réseau (bande passante). Les réseaux d'objets connectés sont reliés au réseau des datacenters, et sont généralement caractérisés par les faibles ressources de leurs composants, ainsi que dans certains cas, l'exploitation de protocoles de transmission de données non IP. Afin d'assurer la sécurité des données depuis les objets connectés, jusqu'aux datacenters qui les exploitent, il n'est donc pas possible, tant pour des raisons d'incompatibilité des protocoles, que pour des raisons de ressources insuffisantes, d'étendre et de plonger simplement les solutions de type SDN et NFV. Ce sujet de thèse a pour objectif l'étude et la conception d'une solution sécurisée de bout en bout, permettant un transfert sécurisé des données collectés, depuis l'objet jusqu'au datacenter dans lequel elles seront exploitées. Alors que les limites de l'exploitation du SDN dans le cadre des réseaux d'objets connectés a été démontré dans [FGN+20] [GFN+16], il parait clair qu'il est nécessaire de définir un nouveau modèle de réseaux hétérogènes. Ce modèle permettra d'intégrer, d'une part, les réseaux d'objets connectés basés sur des protocoles IP de type 802.15.4 ; ZigBee, ou BLE, ou ceux basés sur des protocoles non IP de type LoRa ou 868 Mhz brut ; et d'autre part les réseaux IP classiques filaires ou sans fils, qu'ils soient WIFI ou GSM. Ce modèle permettra notamment de définir les différentes couches de contact, et ainsi d'identifier les risques ainsi que les différents scenarii d'attaques possibles. L'intégration de ce modèle original dans une plateforme expérimentale, de type simulateur et / ou architecture virtuelle, permettra dans un premier temps une validation expérimentale du modèle lui-même, puis offrira une solution de contrôles et d'observation des attaques, ainsi que des architectures en mesure de les contrer. Enfin nous tendrons à définir une stratégie globale de sécurité, capable de s'adapter aux différentes contraintes spécifiques des différentes zones de ces réseaux hétérogènes. Nous étudierons notamment les possibilités d'extension des stratégies actuelles d'une zone du réseau à une autre. Afin d'illustrer les différents éléments avancés, nous tenterons de proposer un cas d'usage, afin d'en démontrer non seulement la possibilité d'implémentation, mais aussi d'en prouver la résistance face aux attaques. Contexte scientifique Depuis plusieurs années, les réseaux, qu'ils soient d'objets connectés, cellulaires, d'interconnexion mondiale, de datacenter, ont convergé. Cette convergence a permis d'accéder à un très grand nombre de sources, et d'exploiter un très grand type de données, ainsi que de bâtir des applications intégrant un grand nombre de technologies et de protocoles différents. Chaque réseau est spécifique, et exploite un modèle qui lui est spécifique, ainsi que des contraintes qui lui sont propres. La conception de ces applications, qui évidemment doivent être sécurisées, s'avère difficile, faute de modèle unifié. Sans un tel modèle il est difficile de définir une stratégie transversale et cohérente de sécurité. L'approche SDN / NFV, adoptée dans les datacenters, et leurs réseaux d'interconnexion, semble la plus à même d'offrir une possibilité de sécurité de bout en bout, c'est-à-dire depuis la collecte de la donnée, jusqu'à son exploitation. Pour étendre et mettre en œuvre cette approche, il est nécessaire à ce jour, d'étudier un plongement des techniques et des outils associés au SDN dans les différents autres réseaux et plus particulièrement dans les réseaux d'objets connectés. Problématique L'étude de ce sujet adresse plusieurs problématiques complémentaires : • La première problématique est liée aux modèles des réseaux. Les travaux proposés tendront à répondre à la question : peut-on définir un modèle unique de communication et d'exécution des différents réseaux, ou doit-on segmenter notre modèle afin de ne pas trop diluer les capacités spécifiques des architectures, ainsi que les services offerts sur les différents réseaux, dans un modèle trop générique ? • La seconde problématique tend à proposer une architecture logicielle ou système, permettant d'une part, de valider le modèle précédent, en le comparant à des réseaux réels, et d'autre part à permettre une expérimentation des solutions qui seront proposées par la suite. • La troisième problématique tendra à reprendre les concepts liés au SDN, et à en étudier le transfert, ou la portabilité, sur les autres types de réseaux, et notamment les réseaux d'objets connectés. Une attention particulière sera apportée aux cas des protocoles non IP, LoRa par exemple. Stratégie de recherche méthodologie Nous adopterons la même approche méthodologique que celle adoptée lors des thèses de Carlos Gonzalez [Gon17] et de Salim Mahamat Charfadine [Cha19]. La première étape se basera sur une approche théorique de conception d'un modèle unifiant les différents réseaux, et de validation de ce modèle. Suite à l'adoption du modèle théorique, le plongement des différents modèles de réseau dans ce modèle théorique original sera étudié et effectué. Parallèlement à cette tâche, les différentes possibilités d'implémentation du modèle seront étudiées et proposées. Une comparaison entre une solution basée sur une bibliothèque de simulation et une solution basée sur une approche système exploitant la virtualisation seront étudiées, une solution hybride pourra être envisagée. La seconde étape sera une phase plus pratique, qui aura pour objectif l'intégration des solutions de sécurisation des réseaux de bout en bout. Les solutions seront validées de manière expérimentales sur un cas d'usage. Résultats escomptés Ces travaux donneront lieu à deux types de résultats : • Publications scientifiques : nous envisageons la publication des résultats obtenus, ainsi que le modèle conçu dans différentes conférences, et si possible, en fonction du délai de réponse, des publications dans des journaux. Nous ciblerons des conférences nationales et internationales avec comité de lecture et actes ; • Modèles et outils de simulation : une solution de simulation / émulation / virtualisation sera développée. Les outils développés seront mis à disposition en ligne, afin de permettre aux chercheurs de la communauté de comparer leurs solutions et leurs résultats. Bibliographie [Cha19] S. M. Charfadine, Gestion dynamique et évolutive de règles de sécurité pour l'Internet des Objets, thèse de doctorat soutenue à Reims, 2019 [FGN+20] O. Flauzac, C.J. Gonzalez, F. Nolot, I. Woungang. An SDN approach to route massive data flows of sensor networks. International Journal of Communication Systems 2020; 33:e4309. https://doi.org/10.1002/dac.4309 [GFN+16] C. Gonzalez, O. Flauzac, F. Nolot, A. Jara. A Novel Distributed SDN-Secured Architecture for the IoT. International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS), 2016, Washington, United States. pp.244-249, ⟨10.1109/DCOSS.2016.22⟩ [Gon17] C. Gonzalez, Gestion d'une architecture hétérogène distribuée à l'aide du SDN, thèse de doctorat soutenue à Reims, 2019 [IAD+20] W. Iqbal, H. Abbas, M. Daneshmand, B. Rauf and Y. A. Bangash, An In-Depth Analysis of IoT Security Requirements, Challenges, and Their Countermeasures via Software-Defined Security, in IEEE Internet of Things Journal, vol. 7, no. 10, pp. 10250-10276, Oct. 2020, doi: 10.1109/JIOT.2020.2997651. [KAL20] K. Kalkan, SUTSEC: SDN Utilized trust based secure clustering in IoT, Computer Networks, Volume 178, 2020, https://doi.org/10.1016/j.comnet.2020.107328. [KRV+15] D. Kreutz, F. M. V. Ramos, P. E. Veríssimo, C. E. Rothenberg, S. Azodolmolky and S. Uhlig, Software-Defined Networking: A Comprehensive Survey, in Proceedings of the IEEE, vol. 103, no. 1, pp. 14-76, Jan. 2015, doi: 10.1109/JPROC.2014.2371999. [RES+19] A. Roukounaki, S. Efremidis, J. Soldatos, J. Neises, T. Walloschke and N. Kefalakis, Scalable and Configurable End-to-End Collection and Analysis of IoT Security Data : Towards End-to-End Security in IoT Systems, 2019 Global IoT Summit (GIoTS), 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/GIOTS.2019.8766407. [SWL+16] Z. Shu, J. Wan, D. Li, J. Lin, A.V. Vasilakos, M. Imran, Security in software-defined networking: threats and countermeasures, Mob. Netw. Appl., 21 (5) (2016), pp. 764-776, 10.1007/s11036-016-0676-x

Doctoral Project Subject: Integration of IoT networks into SDN architectures to ensure end-to-end data security Topic Summary Networks of connected objects, like all computer networks, must be secure. It is necessary to define security policies, as well as the associated technical solutions, which ensure the integrity, security, as well as authentication of the source of the data collected and transmitted. For several years, approaches such as Software Defined Network (SDN), and Network Function Virtualization (NFV) [SWL+16] [KRV+15], as well as the development of servers and associated services, have largely contributed to securing networks classics and data centers. These solutions, which are particularly effective, also consume a lot of resources, whether these resources are computational (processor, memory), energy, or network (bandwidth). Networks of connected objects are linked to the network of data centers, and are generally characterized by the low resources of their components, as well as in some cases, the use of non-IP data transmission protocols. In order to ensure data security from connected objects to the data centers that operate them, it is therefore not possible, both for reasons of protocol incompatibility and for reasons of insufficient resources, to extend and simply dive into SDN and NFV-like solutions. This thesis subject aims to study and design a secure end-to-end solution, allowing a secure transfer of the collected data, from the object to the datacenter in which they will be used. While the limits of SDN exploitation in the context of connected object networks have been demonstrated in [FGN+20] [GFN+16], it seems clear that it is necessary to define a new model of heterogeneous networks . This model will make it possible to integrate, on the one hand, networks of connected objects based on IP protocols of the 802.15.4 type; ZigBee, or BLE, or those based on non-IP protocols such as LoRa or 868 Mhz raw; and on the other hand the traditional wired or wireless IP networks, whether WIFI or GSM. This model will make it possible in particular to define the different layers of contact, and thus to identify the risks as well as the different possible attack scenarios. The integration of this original model in an experimental platform, of simulator type and/or virtual architecture, will initially allow an experimental validation of the model itself, then will offer a solution of controls and observation of the attacks, as well as architectures able to counter them. Finally, we will tend to define a global security strategy, capable of adapting to the different specific constraints of the different zones of these heterogeneous networks. In particular, we will study the possibilities of extending current strategies from one area of the network to another. In order to illustrate the various advanced elements, we will try to propose a use case, in order to demonstrate not only the possibility of implementation, but also to prove its resistance to attacks. Scientific background For several years, networks, whether connected objects, cellular, global interconnection, datacenter, have converged. This convergence has made it possible to access a very large number of sources, and to exploit a very large type of data, as well as to build applications integrating a large number of different technologies and protocols. Each network is specific, and uses a model that is specific to it, as well as constraints that are specific to it. The design of these applications, which obviously must be secure, is difficult, for lack of a unified model. Without such a model, it is difficult to define a transversal and coherent security strategy. The SDN / NFV approach, adopted in data centers and their interconnection networks, seems the most likely to offer the possibility of end-to-end security, i.e. from data collection, until its operation. To extend and implement this approach, it is currently necessary to study an immersion of the techniques and tools associated with SDN in the various other networks and more particularly in the networks of connected objects. Problem The study of this subject addresses several complementary issues: • The first problem is related to network models. The work proposed will tend to answer the question: can we define a single communication and execution model for the different networks, or should we segment our model so as not to dilute the specific capacities of the architectures, as well as the services offered on the various networks, in a model that is too generic? • The second problem tends to propose a software or system architecture, allowing on the one hand, to validate the previous model, by comparing it to real networks, and on the other hand to allow an experimentation of the solutions which will be proposed thereafter . • The third issue will tend to take up the concepts related to SDN, and to study its transfer, or portability, to other types of networks, and in particular networks of connected objects. Particular attention will be paid to the cases of non-IP protocols, LoRa for example. Research strategy methodology We will adopt the same methodological approach as that adopted in the theses of Carlos Gonzalez [Gon17] and Salim Mahamat Charfadine [Cha19]. The first step will be based on a theoretical approach to designing a model unifying the different networks, and validating this model. Following the adoption of the theoretical model, the embedding of the different network models in this original theoretical model will be studied and carried out. Along with this task, the different possibilities for implementing the model will be studied and proposed. A comparison between a solution based on a simulation library and a solution based on a system approach exploiting virtualization will be studied, a hybrid solution may be considered. The second step will be a more practical phase, which will aim to integrate end-to-end network security solutions. The solutions will be validated experimentally on a use case. Expected results This work will give rise to two types of results: • Scientific publications: we envisage the publication of the results obtained, as well as the model designed in various conferences, and if possible, depending on the response time, publications in journals. We will target national and international peer-reviewed conferences and proceedings; • Simulation models and tools: a simulation / emulation / virtualization solution will be developed. The tools developed will be made available online, to allow researchers from the community to compare their solutions and results. Bibliography [Cha19] S. M. Charfadine, Dynamic and scalable management of security rules for the Internet of Things, doctoral thesis defended in Reims, 2019 [FGN+20] O. Flauzac, C.J. Gonzalez, F. Nolot, I. Woungang. An SDN approach to route massive data flows of sensor networks. International Journal of Communication Systems 2020; 33:e4309. https://doi.org/10.1002/dac.4309 [GFN+16] C. Gonzalez, O. Flauzac, F. Nolot, A. Jara. A Novel Distributed SDN-Secured Architecture for the IoT. International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS), 2016, Washington, United States. pp.244-249, ⟨10.1109/DCOSS.2016.22⟩ [Gon17] C. Gonzalez, Management of a distributed heterogeneous architecture using SDN, doctoral thesis defended in Reims, 2019 [IAD+20] W. Iqbal, H. Abbas, M. Daneshmand, B. Rauf and YA Bangash, An In-Depth Analysis of IoT Security Requirements, Challenges, and Their Countermeasures via Software-Defined Security, in IEEE Internet of Things Diary, vol. 7, no. 10, p. 10250-10276, Oct. 2020, doi: 10.1109/JIOT.2020.2997651. [KAL20] K. Kalkan, SUTSEC: SDN Utilized trust based secure clustering in IoT, Computer Networks, Volume 178, 2020, https://doi.org/10.1016/j.comnet.2020.107328. [KRV+15] D. Kreutz, F. M. V. Ramos, P. E. Veríssimo, C. E. Rothenberg, S. Azodolmolky and S. Uhlig, Software-Defined Networking: A Comprehensive Survey, in Proceedings of the IEEE, vol. 103, no.1 End-to-End Jan. 2015, doi: 10.1109/JPROC.2014.2371999. [RES+19] A. Roukounaki, S. Efremidis, J. Soldatos, J. Neises, T. Walloschke and N. Kefalakis, Scalable and Configurable End-to-End Collection and Analysis of IoT Security Data: Towards End-to-End Security in IoT Systems, 2019 Global IoT Summit (GIOTS), 2019, p. 1-6, doi: 10.1109/GIOTS.2019.8766407. [SWL+16] Z. Shu, J. Wan, D. Li, J. Lin, A.V. Vasilakos, M. Imran, Security in software-defined networking: threats and countermeasures, Mob. Netw. Appl., 21 (5) (2016), p. 764-776, 10.1007/s11036-016-0676-x