Contribution à la sécurité et la vie privée dans l'internet des objets basée sur Blockchain : Robustesse,fiabilité et passage à l'échelle

Contribution to security and privacy in the Blockchain-based Internet of Things : Robustness, Reliability, and Scalability

• Auteur / Autrice : Julio César Pérez Garcia
• Direction : Abderrahim Benslimane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et agrosciences (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire informatique d'Avignon
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Bonnin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoubir Mammeri, Yezekael Hayel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Suna Melek Önen, Axel Küpper

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Internet des objets

Réseaux d'ordinateurs

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Algorithmes

Chiffrement homomorphe (informatique)

Mots clés libres

Cryptographie

Algorithmique Distribué

Outils mathématiques

Sécurité

Réseaux informatiques

Distributed Algorithms

Cryptography

Computer Networks

Security

Mathematical tools

Résumé

L’Internet des Objets (IoT, Internet of Things) est un réseau diversifié d’objets interconnectés, généralement via l’internet. En raison de la sensibilité des informations échangées dans les applications de IoT, il est essentiel de garantir la sécurité et le respect de la vie privée. Ce problème est aggravé par la nature ouverte des communications sans fil et par les contraintes de puissance et de ressources computationnelles de la plupart des appareils IoT. Parallèlement, les solutions de sécurité IoT existantes sont basées sur des architectures centralisées, ce qui pose des problèmes d’évolutivité et de point de défaillance unique, les rendant sensibles aux attaques par déni de service et aux défaillances techniques. La Blockchain est considérée comme une solution attractive aux problèmes de sécurité et de centralisation de IoT. Les Blockchains reproduisent un enregistrement permanent, en annexe seulement, de toutes les transactions effectuées sur un réseau entre plusieurs appareils, en les maintenant synchronisées par un protocole de consensus. L’utilisation de la Blockchain peut impliquer des coûts de calcul et d’énergie élevés pour les appareils. Par conséquent, des solutions basées sur Fog/Edge Computing ont été envisagées dans le cadre de l’intégration avec l’IoT. Cette approche transfère la charge de calcul et la consommation d’énergie plus élevées vers les dispositifs ayant une plus grande disponibilité de ressources, les dispositifs Fog/Edge. Toutefois, le coût de l’utilisation de la Blockchain doit être optimisé, en particulier dans le protocole de consensus, qui influe considérablement sur les performances globales du système. Les Blockchains avec permission correspondent mieux aux exigences des applications IoT que les Blockchains sans permission, en raison de leur taux élevé de traitement des transactions et de leur scalabilité. En effet, les nœuds de consensus, les validateurs, sont connus et prédéterminés. Dans les protocoles de consensus existants utilisés dans les Blockchains avec permission, les validateurs sont généralement un ensemble de nœuds prédéfinis ou sélectionnés de manière aléatoire, ce qui affecte à la fois les performances du système et l’équité (Fairness) entre les utilisateurs. L’objectif de ce travail est de proposer des solutions pour améliorer la sécurité et la vie privée dans IoT en intégrant la technologie Blockchain, ainsi que pour maximiser les niveaux de fairness pendant le consensus. L’étude est organisée en deux parties distinctes : l’une traite des aspects critiques de la sécurité de IoT et propose des solutions basées sur la Blockchain, tandis que l’autre se concentre sur l’optimisation de la Fairness entre les utilisateurs lors de l’exécution de l’algorithme de consensus sur la Blockchain. Nous présentons un mécanisme d’authentification inspiré du protocole d’authentification µTesla, qui utilise des clés symétriques formant une chaîne de hachage et obtient des propriétés asymétriques en dévoilant la clé utilisée un peu plus tard. Grâce à ce mécanisme et à l’utilisation de la Blockchain pour stocker les clés et faciliter l’authentification, notre proposition garantit une authentification robuste et efficace des appareils, sans qu’il soit nécessaire de recourir à un tiers de confiance. En outre, nous présentons un système de gestion des clés basé sur la Blockchain pour les communications de groupe, adapté aux contextes de IoT. L’utilisation de la cryptographie à courbe elliptique garantit un faible coût de calcul tout en permettant une distribution sécurisée des clés de groupe. Dans les deux solutions de sécurité, nous fournissons des preuves formelles et informelles de la sécurité dans le modèle d’attaque défini. Une analyse de l’impact sur la performance et une comparaison avec les solutions existantes sont également menées pour les solutions proposées, montrant que les solutions proposées sont sûres et efficaces et peuvent être utilisées dans de multiples applications IoT.

The Internet of Things (IoT) is a diverse network of objects typically interconnected via the Internet. Given the sensitivity of the information exchanged in IoT applications, it is essential to guarantee security and privacy. This problem is aggravated by the open nature of wireless communications, and the power and computing resource limitations of most IoT devices. Existing IoT security solutions are based on centralized architectures, which raises scalability issues and the single point of failure problem, making them susceptible to denial-of-service attacks and technical failures. Blockchain has emerged as an attractive solution to IoT security and centralization issues. Blockchains replicate a permanent, append-only record of all transactions occurring on a network across multiple devices, keeping them synchronized through a consensus protocol. Blockchain implementation may involve high computational and energy costs for devices. Consequently, solutions based on Fog/Edge computing have been considered in the integration with IoT. However, the cost of Blockchain utilization must be optimized, especially in the consensus protocol, which significantly influences the overall system performance. Permissioned Blockchains align better with the requirements of IoT applications than Permissionless Blockchains, due to their high transaction processing rate and scalability. This is because the consensus nodes, i.e., Validators, are known and predetermined. In existing consensus protocols used in Permissioned Blockchains, the Validators are usually a predefined or randomly selected set of nodes, which affects both system performance and fairness among users. The objective of this work is to propose solutions to improve security and privacy within IoT by integrating Blockchain technology, as well as to maximize fairness levels during consensus. The study is organized into two distinct parts: one addresses critical aspects of IoT security and proposes Blockchain-based solutions, while the other part focuses on optimizing fairness among users during the execution of the consensus algorithm on the Blockchain. We present an authentication mechanism inspired by the µTesla authentication protocol, which uses symmetric keys that form a hashchain and achieves asymmetric properties by unveiling the key used a while later. With this mechanism and the use of the Blockchain to store the keys and facilitate authentication, our proposal ensures robust and efficient authentication of devices, without the need for a trusted third party. In addition, we introduce a Blockchain-based key management system for group communications adapted to IoT contexts. The use of Elliptic Curve Cryptography ensures a low computational cost while enabling secure distribution of group keys. In both security solutions, we provide formal and informal proofs of security under the defined attack model. A performance impact analysis and a comparison with existing solutions are also conducted, showing that the proposed solutions are secure and efficient and can be used in multiple IoT applications. The second part of the work proposes an algorithm to select Validator nodes in Permissioned Blockchains maximizing Social Welfare, using α-Fairness as the objective function. A mathematical model of the problem is developed, and a method for finding the solution in a distributed manner is proposed, employing metaheuristic Evolutionary algorithms and a Searchspace partitioning strategy. The security of the proposed algorithm and the quality of the solutions obtained are analyzed. As a result of this work, two security protocols for IoT based on Blockchain are introduced, along with a distributed algorithm for maximizing Social Welfare among users in a Permissioned Blockchain network.