Algorithmes d'authentification et de cryptographie efficaces pour les réseaux de capteurs sans fil

Efficient authentication and cryptography algorithms for wirless sensor nerworks

• Auteur / Autrice : Youssou Faye
• Direction : Hervé Guyennet, Ibrahim Niang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/09/2014
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Laurent Philippe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Guyennet, Ibrahim Niang, Laurent Philippe, Vincent Lecuire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hossam Afifi, Olivier Flauzac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de Capteurs Sans Fil

Authentification

Courbes elliptiques pour la cryptographie

Wireless Sensor Network

Authentication

Elliptic Curves Cryptography

Résumé

Un réseau de capteurs sans fil (RCSF) est constitué d’un grand nombre de nœuds capteurs autonomes qui collaborent ensemble pour la surveillance d’une zone, d’une machine, d’une personne etc.. Dans certaines applications,les données critiques doivent être protégées contre toute utilisation frauduleuse et être accessibles en temps réel. Le besoin d’apporter une solution de sécurité fiable et adaptée paraît donc essentiel. Les solutions de sécurité utilisées dans les réseaux traditionnels ne sont pas directement applicables dans les RCSFs, car développer des primitives de sécurité en utilisant de faibles ressources devient un véritable défi. Dans cette thèse, nous proposons des solutions nouvelles peu gourmandes en ressources qui tiennent compte des faibles capacités de défense d’un réseau autonome. Dans cette optique nous appliquons des mécanismes cryptographiques bas´es sur les fonctions de hachage et les courbes elliptiques. Un focus sur différents mécanismes de sécurité peu gourmands en ressources nous permet la mise en évidence des rapports de forces entre les RCSFs et leurs vulnérabilités. Notre première contribution vise `a améliorer la sécurité et les performances en termes d’´énergie sur des protocoles d’authentification existants tout en utilisant les mêmes mécanismes. Dans la deuxième contribution, on utilise le concept de probabilité de risque afin de déterminer la consommation énergétique dans différentes architectures de déploiement. Dans la troisième contribution nous présentons un nouveau mécanisme d’accélération de la multiplication scalaire sur les courbes elliptiques définies dans des corps finis premiers. Ce mécanisme bas´e sur l’opposé et l’ordre d’un point, réduit le nombre d’opérations de points dans un intervalle donné, et présente en plus l’avantage de pouvoir être combiné avec les techniques existantes. Enfin dans notre dernière contribution, nous nous sommes intéressés à l’accélération du calcul des points résultants du partitionnement du scalaire qui introduisent des coûts additionnels de calcul et de stockage mémoire. Nous comparons différentes formules de points existantes en mettant en évidence leur efficacité.

A Wireless Sensor Network (WSN) consists of a large number of sensor nodes which collaborate so as tomonitor environnement. For various WSNs’ applications, the collected data should be protected by preventingunauthorized users from gaining the information. The need to find a reliable and adaptive security solution isvery important. Most current standard security protocols designed for traditional networks cannot be applieddirectly in WSN. For this reason, providing a variety of security functions with limited resources is a realchallenge. Our research work seeks to find secure efficient solutions that take into account the rather weakdefense of an autonomous network. In this way, we apply lightweight cryptography mechanisms based on hashfunction and elliptic curves. A focus on different security mechanisms and lightweight security algorithms canhighlight the strength ratio between WSNs and their vulnerabilities. Our first contribution is on a secure energyefficient solution, it uses the same mechanism and aims to enhance the security weaknesses of existing solutions.The second contribution uses the concept of probability risk analysis to show to which level the proposedsolution justifies the better energy consumption for a given network architecture. In the third contribution, wepresent a new technique to accelerate scalar multiplication on elliptic curves cryptography over prime field forlight-weight embedded devices like sensor nodes. Our method reduces the computation of scalar multiplicationby an equivalent representation of points based on point order in a given interval and can also act as a supportfor most existing methods. Finally our last contribution presents a fast pre-computation algorithm in a parallelscalar multiplication to avoid the storage of pre-computation points which requires extra memory. We alsoprovide a comparison of different formulas so as to find out their efficiency.