De la vulnérabilité des nœuds capteurs à la certification des transactions sur le réseau, une approche de la sécurisation de l’Internet des Objets

From the sensor nodes vulnerability to the network transactions certification, an approach to securing the Internet of Things.

• Auteur / Autrice : Loïc Dalmasso
• Direction : Pascal Benoit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Torres
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Benoit, Lionel Torres, Loïc Lagadec, François Verdier, Assia Tria, Florent Bruguier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Lagadec, François Verdier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Blockchains

Certification

Cryptographie

Internet des objets

Mots clés libres

Internet des Objets

Cryptographie légère

Blockchain

Confiance

Réseau décentralisé

Internet of Things

Lightweight cryptography

Side channel analysis

Blockchain

Trust

Decentralized network

Résumé

L’Internet des Objets (IdO) est une infrastructure mondiale, visant à connecter une multitude de systèmes de diverses natures, dans le but de générer de nouveaux services. Alors que cette hyperconnectivité laisse entrevoir de nombreuses perspectives dans tous les secteurs d’activité (e.g. la santé, l’industrie, l’énergie etc.), son déploiement constitue un défi majeur en termes de sécurité et de vie privée. L’usage de la cryptographie devient alors primordial, notamment pour assurer la confidentialité des données. Néanmoins, les algorithmes classiques tels que l’AES ne sont pas conçus pour être embarqués dans des systèmes à ressources limitées que sont les objets connectés. Pour répondre à cette problématique, la communauté scientifique s’oriente vers la cryptographie dite « légère ». Malgré ce qualificatif, jusqu’à quel point cette dernière est-elle pertinente et en adéquation avec les ressources des objets connectés ? Quel niveau de sécurité permet-elle d’atteindre ?Au travers de métriques communes, l’objectif du premier axe de cette thèse est de déterminer les gains qu’apporte la cryptographie légère par rapport à son homologue classique, en termes de taille, de performance et de robustesse face aux attaques par canaux auxiliaires, reconnues comme un vecteur d’attaque majeur. Cette évaluation se focalise sur le standard AES-128 et ses proches dérivés légers PRESENT-80/128 et plus récents GIFT-64-128/GIFT-128-128, dont leur structure orientée au niveau bit favorise l’implémentation matérielle. En termes de performances, GIFT-64-128 se positionne comme la meilleure alternative, avec une réduction de taille de près d’un facteur 10, pour un gain en efficacité de 58% par rapport à l’AES-128. Concernant la résistance aux attaques par canaux auxiliaires, ici la CPA, la cryptographie légère se montre une nouvelle fois plus pertinente, avec PRESENT-128 atteignant une robustesse accrue d’un facteur 3 par rapport à l’AES-128.Bien qu’indispensable, la confidentialité seule n’est pas suffisante pour instaurer un environnement sécurisé. Face à l’émergence des cyberattaques, un écosystème de l’IdO se doit d’intégrer des mécanismes de sécurité pour faire face à diverses menaces. En outre, sa topologie réseau devient propice à la décentralisation pour des questions d’efficacités. Sans organisme central, comment assurer à la fois la fiabilité et la sécurité d’un environnement fortement hétérogène ?La seconde partie de cette thèse propose un protocole de confiance, spécialement conçu pour l’IdO. Inspiré du concept de la blockchain, plusieurs optimisations ont été mises en place, permettant de réduire l’utilisation des ressources au minimum. Dans une approche centrée sur les passerelles réseau, les résultats démontrent une réduction de l’espace de stockage d’un facteur 3 000 par rapport à Bitcoin, ainsi qu’une latence divisée par 18, pour une consommation inférieure à celle d’un chargeur de téléphone. Enfin, une extension du protocole est proposée pour être embarquée dans les objets. Le modèle se concentre sur l’évaluation de la confiance dans un environnement proche, se focalisant sur les entités où une communication directe est possible. Avec moins de 400 octets, le protocole est capable d’évaluer la confiance d’une dizaine d’objets, et jusqu’à une trentaine avec seulement 1 Ko.

The Internet of Things (IoT) is a global infrastructure, aiming to connect any systems of various kinds, to generate new services. While this hyperconnectivity offers many opportunities in many areas (e.g. health, industry, energy, etc.), its deployment represents a major challenge in terms of security and privacy. The use of cryptography becomes essential, particularly to ensure the confidentiality of data. Nevertheless, classical algorithms such as AES are not designed to be embedded in systems with limited resources, such as connected devices. To address this issue, the scientific community is moving towards so-called "lightweight" cryptography. Despite this term, to what extent is it relevant and in line with the resources of the connected objects ? What level of security can it achieve ?Through common metrics, the objective of the first axis of this thesis is to determine the gains of lightweight cryptography compared to the classical one, in terms of size, performance and robustness against side channel analysis, recognized as a major attack vector. This evaluation focuses on the AES- 128 standard and its close lightweight derivatives PRESENT-80/128 and more recent GIFT-64- 128/GIFT-128-128, whose bit-level oriented structure favours hardware implementation. In terms of performances, GIFT-64-128 is positioned as the best alternative, with a reduction in size by almost a factor of 10, for a 58% gain in efficiency over AES-128. In terms of resistance against side channel analysis, CPA in this thesis, lightweight cryptography is once again proving its worth, with PRESENT-128 achieving an increased robustness by a factor of 3 compared to AES-128.Although indispensable, confidentiality alone is not enough to create a secure environment. Facing the emergence of cyber attacks, an IoT ecosystem has to integrate security mechanisms to deal with various threats. In addition, its network topology is becoming conducive to decentralization for efficiency reasons. Without central organization, how can the reliability and security of a highly heterogeneous environment be ensured ?The second part of this thesis proposes a trust protocol, specifically designed for IoT. Inspired by the blockchain concept, several optimizations have been implemented, allowing to reduce the use of resources to a minimum. In an approach centered on network gateways, the results show a reduction in storage space by a factor of 3 000 compared to Bitcoin, as well as a latency divided by 18, for a consumption lower than that of a smartphone charger. Finally, an extension of the protocol is proposed to be embedded in objects. The model focuses on the trust assessment in a close environment, that means on entities where direct communication is possible. With less than 400 bytes, the protocol is capable of evaluating the trust of about ten objects, and up to thirty with only 1 KB.