Conception et implémentation d'algorithmes cryptographiques légers et sécurisés pour dispositifs embarqués

Design and implementation of lightweight and secure cryptographic algorithms for embedded devices

• Auteur / Autrice : Lama Sleem
• Direction : Raphaël Couturier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/01/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• 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 (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Guyeux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Couturier, Christophe Guyeux, Oussama Bazzi, Pierre Spitéri, Flavien Vernier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Oussama Bazzi, Pierre Spitéri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Réseaux ad hoc de véhicules

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Cryptographie

Chiffrement (informatique)

Mots clés libres

Cryptographie

Réseaux VANET

Aléatoire

Cryptage d'image

Classification

Internet des objets

Chiffrement d'images

Chiffrement

Déchiffrement

Confusion

Diffusion

Dynamique

Tests de sécurité

Cryptography

VANET Network

Randomness

Image encryption

Classification

Internet of things

Image encryption

Encryption

Decryption

Confusion

Diffusion

Dynamic key

Security tests

Résumé

Nous vivons actuellement dans une ère avec sans cesse de nouveaux appareils technologiques (smartphone, réseaux de capteurs sans fil, aux caméras haute résolution, etc). En partant des médias sociaux, en passant par des caméras de surveillance très puissantes, et sans oublier la surveillance de la santé en temps réel, on constate qu'une grande quantité de données est stockée dans le cloud et les serveurs. Cela représente un grand défi de stockage et de transmission, en particulier dans les plates-formes aux ressources limitées qui sont caractérisées par : (a) des capacités de calcul limitées, (b) une source d'énergie limitées et (c) des infrastructures ouvertes qui transmettent des données sur des réseaux sans fil peu fiables. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'amélioration de la sécurité des contenus multimédia transmis sur des plates-formes à capacité de calcul limitée, tout en préservant un niveau de sécurité élevé. Dans la première partie, nous avons étudié les réseaux ad hoc véhiculaire. Nous avons proposé un état de l'art qui permet de résumer la plupart des travaux récents et d'explorer presque tous les aspects de ce domaine en illustrant les différents aspects que possède cette plateforme. Ensuite, afin de proposer une nouvelle solution de sécurité et de valider sa robustesse et le niveau de caractère aléatoire d'une image chiffrée, nous avons proposé un test simple et efficace. Celui-ci est basé sur des outils pour tester statistiquement le caractère aléatoire de nombres pseudo aléatoires, TestU01 et Practrand. Après avoir effectué ces tests sur des algorithmes de chiffrement bien connus, certaines failles ont été exposées et une nouvelle proposition visant à améliorer le système de chiffrement ultra-léger Speck est proposée. La principale contribution de ce travail est d'obtenir une meilleure version par rapport à Speck. Dans cette nouvelle proposition, appelée Speck-R, nous utilisons seulement 7 itérations contrairement à Speck qui en utilise 26 et nous réduisons le temps d'exécution d'au moins 50%. Tout d'abord, nous validons que Speck-R répond aux tests de statistiques pour mesurer l'aléatoire, proposés précédemment. De plus, nous avons rajouté un système de clé dynamique qui procure plus de sécurité contre les attaques liées à la clé. Speck-R a été implémenté sur différentes cartes de type arduino et dans tous les cas, Speck-R était plus rapide que Speck. Ensuite, afin de prouver que ce chiffrement peut être utilisé pour sécuriser les images, en particulier dans les réseaux VANETS/IoV, plusieurs tests ont été effectués et les résultats montrent que Speck-R possède effectivement le haut niveau de sécurité souhaité. Des expérimentations valident notre proposition du point de vue de la sécurité et de la performance et démontrent la robustesse du système proposé face aux types d'attaques les plus connus.

Living in an era where new devices are astonishing considering their high capabilities, new visions and terms have emerged. Moving to smart phones, Wireless Sensor Networks, high-resolution cameras, pads and much more, has mandated the need to rethink the technological strategy that is used today. Starting from social media, where apparently everything is being exposed, moving to highly powerful surveillance cameras, in addition to real time health monitoring, it can be seen that a high amount of data is being stored in the Cloud and servers. This introduced a great challenge for their storage and transmission especially in the limited resourced platforms that are characterized by: (a) limited computing capabilities, (b) limited energy and source of power and (c) open infrastructures that transmit data over wireless unreliable networks. One of the extensively studied platforms is the Vehicular Ad-hoc Networks which tends to have many limitations concerning the security field. In this dissertation, we focus on improving the security of transmitted multimedia contents in different limited platforms, while preserving a high security level. Limitations of these platforms are taken into consideration while enhancing the execution time of the secure cipher. Additionally, if the proposed cipher is to be used for images, the intrinsic voluminous and complex nature of the managed images is also taken into account. In the first part, we surveyed one of the limited platforms that is interesting for many researchers, which is the Vehicular Ad-hoc Networks. In order to pave the way for researchers to find new efficient security solutions, it is important to have one reference that can sum most of the recent works. It almost investigates every aspect in this field shedding the light over different aspects this platform possesses. Then, in order to propose any new security solution and validate its robustness and the level of randomness of the ciphered image, a simple and efficient test is proposed. This test proposes using the randomness tools, TestU01 and Practrand, in order to assure a high level of randomness. After running these tests on well known ciphers, some flaws were exposed. Proceeding to the next part, a novel proposal for enhancing the well-known ultra lightweight cipher scheme, Speck, is proposed. The main contribution of this work is to obtain a better version compared to Speck. In this proposal, 26 rounds in Speck were reduced to 7 rounds in Speck-R while enhancing the execution time by at least 50%. First, we validate that Speck-R meets the randomness tests that are previously proposed. Additionally, a dynamic substitution layer adds more security against key related attacks and highly fortifies the cipher. Speck-R was implemented on different limited arduino chips and in all cases, Speck-R was ahead of Speck. Then, in order to prove that this cipher can be used for securing images, especially in VANETS/IoV, where images can be extensively re/transmitted, several tests were exerted and results showed that Speck-R indeed possesses the high level of security desired in any trusted cipher. Extensive experiments validate our proposal from both security and performance point of views and demonstrate the robustness of the proposed scheme against the most-known types of attacks.