Modèles de confiance pour sécuriser les réseaux Internet des Objets

Trust-based model to secure internet of things network

• Auteur / Autrice : Chaimaa Boudagdigue
• Direction : Abderrahim Benslimane, Abdellatif Kobbane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/03/2023
• Etablissement(s) : Avignon en cotutelle avec Université Mohammed V (Rabat)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire informatique d'Avignon
• Jury : Président / Présidente : Yezekael Hayel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valeria Loscri, Olivier Festor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Montavont, Mohammed Boulmalf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Gestion du risque

Qualité -- Contrôle

Certificats numériques

Markov, Processus de

Théorie des jeux

Internet des objets

Mots clés libres

Confiance

Gestion de la confiance

Internet des objets

Internet industriel des objets

Théorie des jeux

Jeu de signalisation

Chaîne de Markov

Gestion des certificats numériques

Certificats à courte durée de vie

Trust

Trust Management

Internet of Things

Industrial Internet of Things

Game theory

Signaling game

Markov chain

Digital certificate management

Short-Lived Certificates

Résumé

L’internet des objets (IoT) est un nouveau paradigme dans lequel tout objet de la vie quotidienne peut faire partie de l’internet. L’objet doit simplement être équipé d’un microcontrôleur, d’un émetteur-récepteur et de piles de protocoles appropriées qui le rendent capable de communiquer. L’IoT rend les objets du quotidien intelligents et capables d’interagir de manière collaborative afin de fournir des services intelligents dans différents domaines tels que: l’agriculture, l’industrie, la santé et bien d’autres. Pour atteindre ces objectifs, les objets IoT sont amenés à gérer les données confidentielles et privées de leurs utilisateurs, ce qui les rend très vulnérables aux menaces de sécurité. Cependant, les objets IoT ne disposent pas des ressources nécessaires (énergie, mémoire, puissance de traitement, etc.) pour mettre en œuvre une sécurité robuste ou pour appliquer les mesures de sécurité traditionnelles basées sur les techniques de cryptographie habituellement déployées dans l’Internet traditionnel. En outre, les mesures de sécurité traditionnelles ne peuvent pas garantir la fiabilité des réseaux IoT, notamment en présence d’attaques internes. Ainsi, notre travail consiste à proposer un modèle de gestion de la confiance dynamique où chaque objet IoT du réseau évalue le niveau de confiance de ses voisins à l’aide d’une métrique de confiance, avant d’interagir avec eux. Cela permet à l’objet de prédire le comportement futur de ses voisins et d’éviter les menaces de sécurité probables. La métrique de confiance d’un objet peut changer d’état en fonction de la coopération, de la réputation et de l’honnêteté de cet objet. Elle peut augmenter, diminuer, rester inchangée ou tendre vers zéro si l’objet est malveillant. Nous modélisons ces changements d’état en utilisant une chaîne de Markov à temps discret, une méthode mathématique efficace qui s’appuie sur l’état précédent d’un processus pour prédire son état futur. Deuxièmement, nous orientons nos recherches vers la gestion de la confiance dans les réseaux IoT industriels (IIoT). En effet, les réseaux IIoT désignent les dispositifs industriels (machines de production, robots, etc.) connectés à des réseaux sans fil, et qui collectent et partagent des données sur leurs environnements. L’IIoT rend les entreprises plus réactives, mais en même temps, elle ouvre l’infrastructure de l’entreprise à des risques de sécurité. Afin de remédier à ce problème, nous proposons trois contributions: Pour faciliter le processus de gestion de la confiance, la première contribution consiste à changer l’architecture traditionnelle des réseaux IIoT en une nouvelle architecture hiérarchique en proposant un nouveau concept basé les relations industrielles entre les dispositifs IIoT. La deuxième contribution propose un modèle de gestion de confiance dynamique, adapté aux exigences des environnements industriels. Et enfin, la troisième contribution consiste à évaluer la capacité et le dynamisme de notre modèle de confiance proposé pour détecter les changements de comportement des nœuds non confiants en utilisant le simulateur contiki/cooja. Nous exploitons ensuite les résultats de ces contributions et la force de la théorie des jeux de signalisation pour proposer un mécanisme de révocation de certificats pour les réseaux IIoT. L’objectif principal de ce mécanisme est d’isoler efficacement et précisément les dispositifs IIoT non fiables pour qu’ils ne contribuent plus aux activités du réseau. Lorsqu’un certificat est révoqué, les autres nœuds du réseau doivent en être informés immédiatement. La question la plus importante est de savoir comment distribuer efficacement les informations de révocation de certificat parmi les dispositifs IIoT. Pour cela, nous proposons dans la dernière partie de cette thèse un nouveau schéma de vérification de certificats efficace, basé sur des certificats à courte durée de vie (SLC), et adapté aux exigences des réseaux IIoT.

The Internet of Things (IoT) is a new paradigm where any device of everyday life can become part of the Internet. The device just needs to be equipped with a microcontroller, a transceiver and appropriate protocol stacks that make it able to communicate. IoT makes everyday devices intelligent and able to interact in a collaborative way in order to provide intelligent services in different fields such as: agriculture, industry, healthcare and many others. To achieve these objectives, IoT devices must manage confidential and privacy-relateddata of their users, which makes them very vulnerable to security threats. However, IoT devices do not have the necessary resources (energy, memory, processing, etc.) to implement strong security or to apply the traditional security measures based on cryptographic techniques usually deployed in traditional Internet. Moreover, the traditional security measures cannot ensure the reliability of the IoT networks, especially in the presence of internal attacks. Hence, our work consists in proposing a dynamic analytical trust managementmodel where each IoT device in the network evaluates the trust level of its neighbors using a trust metric, before interacting with them. This allows the device to predict the future behavior of its neighbors and avoid probable security threats. The trust metric of a device can change state depending on the cooperation, reputation and honesty of that device. It can increase, decrease, remain unchanged or tend to zero if the device is untrusted. We model these state changes by using a discrete-time Markov chain, an effective mathematicalmethod that relies on the previous state of a process to predict its future state. Secondly, we focus our research on trust management in industrial IoT networks (IIoT). Indeed, IIoT networks refer to industrial devices (production machines, robots, etc.) connected to wireless networks, and which collect and share data on their environments. IIoT makes companies more reactive, but at the same time it opens the company’s infrastructure to security risks. In order to address this issue, we propose three contributions: To facilitate the trust management process, the first contribution is to change the traditional architecture of IIoT networks into new hierarchical architecture by creating a new concept called the industrial relationships between IIoT nodes. The second contribution proposes a dynamic trust management model, adapted to the requirements of industrial environments. And lastly, the third contribution is to evaluate the ability and the dynamism of our proposed trust management model to detect behavioral changes of malicious and selfish nodes, by using the contiki/cooja simulator. We subsequently exploit the results of these contributions and the strength of the Signaling game theory to proposea certificate revocation mechanism for IIoT networks. The main purpose of this mechanism is to effectively and accurately isolate malicious IIoT devices from further contributing to network activities. When a certificate is revoked, the other nodes in the network must be informed immediately. The most important issue is how to efficiently distribute certificate revocation information among IIoT devices? Therefore, we propose, in the last part of this thesis, a new efficient certificate verification scheme, based on short-lived certificates (SLC), and suitable for IIoT network requirements. The validity period of each SLC, in the proposed scheme, is proportional to the trust level of its owner. This makes a good trade-off between certificate life and overheads resulting from certificate renewal process, while keeping a high security level. The performance evaluation we conducted proves the effectiveness of our proposed certificate verification scheme to reduce the time needed to obtain the revocation information as well as the resulting storage and communication overhead to achieve this goal.