Lightweight security protocols for IP-based Wireless Sensor Networks and the Internet of Things

• Main Author: Nguyen, Kim Thuat
• Other Authors: Evry, Institut national des télécommunications
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Internet des Objets; Protocoles de sécurité; Signcryption; Mécanisme de distribution de clés; Chiffrement par attributs; Procédé de l'accord de clés authentifié; Proxy re-chiffrement; Internet of Things; Security protocols; Key distribution mechanism; Attribut-based encryption; Authenticated key agreement; Proxy re-encryption
• Online Access: http://www.theses.fr/2016TELE0025/document

L'Internet des Objets (IdO) permet à des milliards de dispositifs informatiques embarqués de se connecter les uns aux autres. Les objets concernés couvrent la plupart de nos appareils de la vie quotidienne, tels que les thermostats, les réfrigérateurs, les fours, les machines à laver et les téléviseurs. Il est facile d'imaginer l'ampleur du danger, si ces dispositifs venaient à nous espionner et révélaient nos données personnelles. La situation serait encore pire si les applications critiques IdO, par exemple, le système de contrôle des réacteurs nucléaires, le système de sécurité du véhicule ou les dispositifs médicaux, étaient compromis. Afin de garantir la sécurité et lutter contre des menaces de sécurité dans l'IdO, des solutions de sécurité robustes doivent être considérées. Cependant, les appareils pour l’IdO sont limités en mémoire, capacités de calcul et énergie, et disposent de moyens de communication peu fiables, ce qui les rend vulnérables à des attaques variées. Dans ce contexte, nous nous concentrons sur deux défis majeurs, à savoir des protocoles de sécurité légers en termes de calculs et d’infrastructure, et des mécanismes d'établissement de clés légers, les solutions existantes actuellement étant beaucoup trop coûteuses pour les dispositifs IdO. En réponse au premier défi, nous avons, d'une part, proposé ECKSS - un nouveau schéma de signcryption léger qui évite l'utilisation de PKI. Cette proposition permet de chiffrer et signer simultanément des messages en garantissant la confidentialité et la non-falsification du canal de communication. De plus, les échanges de message sont authentifiés sans recourir à des certificats. Par ailleurs, nous avons aussi proposé OEABE qui est un mécanisme de délégation pour le chiffrement à base d’attributs CP-ABE (Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption). CP-ABE est un schéma de chiffrement par attributs qui permet aux utilisateurs de préciser au moment du chiffrement qui pourra déchiffrer leurs données. Notre solution, OEABE, permet à un dispositif contraint en ressources de générer rapidement un chiffré CP-ABE tout en précisant les droits d’accès à ses données. Cette solution est d’autant plus utile que le volume de données générées par les dispositifs IdO est en augmentation exponentielle chaque année. Quant au deuxième défi, nous avons proposé tout d'abord deux modes de distribution de clés pour le protocole standard de gestion de clés MIKEY. Ils s’appuient sur notre schéma de signcryption ECKSS et héritent ainsi de la légèreté d'ECKSS à la fois en termes de calculs et de dispensent d'utilisation de PKI. Les résultats expérimentaux, obtenus à partir d’une plateforme de capteurs Openmote, ont prouvé l'efficacité de nos solutions comparativement aux autres méthodes de MIKEY. Nous avons aussi proposé un schéma d'échange de clés, appelé AKAPR qui est très adapté dans le cas où les deux parties qui participent à la négociation de clés sont très contraintes en ressources === The Internet of Things (IoT) enables billions of embedded computing devices to connect to each other. The smart things cover our everyday friendly devices, such as, thermostats, fridges, ovens, washing machines, and TV sets. It is easy to imagine how bad it would be, if these devices were spying on us and revealing our personal information. It would be even worse if critical IoT applications, for instance, the control system in nuclear reactors, the vehicle safety system or the connected medical devices in health-care, were compromised. To counteract these security threats in the IoT, robust security solutions must be considered. However, IoT devices are limited in terms of memory, computation and energy capacities, in addition to the lack of communication reliability. All these inconvenients make them vulnerable to various attacks, as they become the weakest links of our information system. In this context, we seek for effective security mechanisms in order to establish secure communications between unknown IoT devices, while taking into account the security requirements and the resource constraints of these devices. To do so, we focus on two major challenges, namely, lightweight security protocols in terms of processing and infrastructure and lightweight key establishment mechanisms, as existing solutions are too much resource consuming. To address this first challenge, we first propose ECKSS - a new lightweight signcryption scheme which does not rely on a PKI. This proposal enables to encrypt and sign messages simultaneously while ensuring the confidentiality and unforgeability of the communication channels. In addition, the message exchanges are authenticated without relying on certificates. Moreover, we also propose OEABE which is a delegation-based mechanism for the encryption of the Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption (CP-ABE). CP-ABE is anattribute-based public key encryption scheme that gives users the flexibility to determine who can decrypt their data at runtime. Our solution enables a resource-constrained device to generate rapidly a CP-ABE ciphertext with authorization access rights to its data. This solution is particularly useful as the volume of data issued from IoT devices grows exponentially every year. To solve the second challenge, we first propose two new key distribution modes for the standard key management protocol MIKEY, based on our signcryption scheme ECKSS. These modes inherit the lightness of ECKSS and avoid the use of PKI. The experimental results, conducted in the Openmote sensor platform, have proven the efficiency of our solutions compared with other existing methods of MIKEY. Then, we propose a new key agreement scheme, named AKAPR. In case the two communicating parties are involved in the key negotiation procedure, AKAPR is very suitable in the context of IoT. As such, it can operate even if the two communicating parties are highly resource-constrained