Sécurisation de protocoles de communication pour l’Internet des objets

Securing communication protocols for the Internet of Things

• Auteur / Autrice : Ali Haj-Hassan
• Direction : Antoine Gallais, Bruno Quoitin, Youcef Imine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/01/2024
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France en cotutelle avec Université de Mons
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Tom Mens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Gallais, Bruno Quoitin, Youcef Imine, Mawloud Omar, Ramin Sadre, An Braeken, Valeria Loscri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mawloud Omar, Ramin Sadre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux locaux industriels (informatique)

Mesures de sûreté

Réseaux locaux sans fil

Internet des objets

Mots clés libres

Securité

Internet des objets

Protocoles de communications

Security

IoT

Communications Protocols

Résumé

La fusion des réseaux IP avec la technologie sans fil à faible consommation d’énergie a donné naissance à l’Internet Industriel des Objets (IIoT). En raison du large échelle et de la nature dynamique de l’IIoT, la sécurité de ce réseau est d’une importance capitale. L’une des attaques les plus critiques concerne celles menées lors de la phase d’intégration de nouveaux nœuds dans un réseau IIoT. Dans cette thèse, nous concentrons notre étude sur la sécurisation de la phase d’intégration de ces réseaux.Les phases d’intégration dans l’IoT reposent sur des méthodes d’authentification mutuellebasées sur une clé prépartagée (PSK) partagée entre le coordinateur du réseau et le nœudd’intégration. La standarization manque souvent de clarifications sur le partage de PSK, cequi rend impraticable la préconfiguration de chaque appareil avec une clé unique dans lesréseaux à grande échelle et dynamiques tels que l’IIoT. Pour répondre à ces problématiques,cette thèse présente un protocole d’authentification mutuelle autonome et d’établissement declés pour les réseaux IIoT. Dans cette solution, le coordinateur du réseau authentifie d’abordle nœud d’intégration via un certificat, et réciproquement, le nœud d’intégration authentifiele coordinateur du réseau en utilisant un mécanisme de consensus léger basé sur le partagede secret de Shamir. Une fois cette authentification mutuelle accomplie, une clé est établieentre le coordinateur du réseau et le nouveau noeud sur un canal public. Notre solution a étéintégrée dans le cadre du protocole 6TiSCH, garantissant une sécurité robuste avec un tauxd’authentification élevé, même en présence de nœuds malveillants. De plus, elle s’est prouvéefficace en termes de communication, de latence et de consommation d’énergie dans diversscénarios réseau, y compris sur des appareils aux ressources limitées.De plus, lors du processus d’intégration du réseau IoT, les nœuds proxy jouent un rôle essentiel en transférant les demandes d’intégration et les réponses entre le nœud d’intégration et le coordinateur du réseau. Sécuriser cette phase est essentielle, car les nœuds proxy malveillants peuvent perturber l’intégration de nouveaux nœuds ou les rediriger vers une autre entité se faisant passer pour le coordinateur. Par conséquent, nous présentons un système robuste axé sur l’identification de nœuds proxy malveillants lors de la phase d’intégration. Ce système, centré autour du coordinateur, tient un registre des participations de chaque nœud en tant que nœud proxy. Après chaque phase d’intégration, le coordinateur reçoit un paquet chiffré de bout en bout du nœud d’intégration, détaillant les rencontres avec des nœuds proxy malveillants. Ces informations sont utilisées pour calculer le nombre de participations légitimes de nœuds proxy pour chaque nœud. Le système de détection utilise ces métriques, en conjonction avec des paramètres ajustables, pour catégoriser les nœuds comme malveillants ou dignes de confiance. De plus, notre solution prend en compte les attaques potentielles sur le processus de détection, émanant à la fois des nœuds proxy et des nœuds d’intégration.

The fusion of IP-enabled networks with low-power wireless technology has given birth tothe Industrial Internet of Things (IIoT). Due the large scale and dynamic nature of IIoT, thesecurity of such network is of paramount importance. One of the most critical attacks arethose conducted during the joining phase of new nodes to an IIoT network. In this thesis, we focus our study on securing the joining phase of such networks.Joining phases in IoT rely on mutual authentication methods based on a pre-shared key (PSK) shared between the network coordinator and the joining node. Standardization often lacks clear PSK sharing guidelines, which in large-scale and dynamic networks like IIoT makes pre-configuring each device with a unique key impractical. To address these concerns, this thesis introduces an autonomous mutual authentication and key establishment protocol for IIoT networks. In this solution, the network coordinator first authenticates the joining node via a certificate, and reciprocally, the joining node authenticates the network coordinator using a novel and lightweight consensus mechanism based on Shamir Secret Sharing. Once this mutual authentication is accomplished, a key is established between the network coordinator and the joining node over a public channel. Our solution was integrated into the 6TiSCH framework, ensuring robust security with high authentication success, even when dealing with malicious nodes. Additionally, it proved efficient in terms of communication, latency, and energy usage across various network scenarios, even on resource-constrained devices.Moreover, during the IoT network joining process, proxy nodes play a pivotal role in forwarding Join Requests and Join Responses between the joining node and the network coordinator. Securing this phase is vital, as malicious proxy nodes can disturb new node joins or redirect them another entity impersonating the coordinator. Therefore, we present a robust system focused on identifying malicious proxy nodes during the joining phase. Centered around the coordinator, this system maintains a log table tracking each node’s participation as a proxy node. Post each joining phase, the coordinator receives an End-to-End encrypted packet from the joining node, detailing any encounters with malicious proxy nodes. This information is utilized to calculate the number of legitimate proxy node involvements for each node. The detection system utilizes these metrics, in conjunction with adjustable parameters, to categorize nodes as either malicious or trustworthy. Additionally, our solution accounts for potential attacks on the detection process, originating from both proxy nodes and joining nodes.