Sécurité pour l'Internet des objets: mécanismes matériels d'authentification pour objets communicants

Security for Internet of Things: hardware authentication mechanisms for communicating objects

• Auteur / Autrice : Lamoussa Sanogo
• Direction : Daniela Dragomirescu, Eric Alata
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2022
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MINC - MIcro et Nanosystèmes pour les Communications sans fils
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés libres

Internet des Objets

Vulnérabilités

Sécurité

Couche physique

Authentification

Polarization Shift Keying

IoT

Vulnerabilities

Security

Physical Layer

Authentication

Polarization Shift Keying

Résumé

Les objets connectés sont très vulnérables d'un point de vue cybersécurité. Les facteurs de vulnérabilité incluent « (1)-une conception fragile d'un point de vue sécurité, car davantage focalisée sur les services que sur la sécurité, (2)-le mode de communication sans fil, facilite les attaques de type rejoue, imitation, homme du milieu et usurpation d'identité, (3)-les interactions avec les appareils à travers des mises à jour logiciel, ainsi que la collecte et le partage d'informations à des fins économiques ». Les attaques visant l'internet des objets vont sans doute se multiplier avec l'arrivé de l'intelligence artificielle. Dans ce contexte, sécuriser les objets connectés reste un grand défis à cause de leur caractère d'objet à ressources limitées, de la forte décentralisation des réseaux engendrée par le mode de communication direct machine-à-machine qui rend difficile, par exemple, le déploiement de solution de type pare-feu et de l'utilisation d'une multitude de protocoles, entrainant la contrainte d'indépendance aux protocoles pour les solutions de sécurité. Les objectifs de cette thèse visent à proposer des solutions de sécurité originales au niveau de la couche physique pour permettre aux objets connectés de découvrir leur environnement, de s'y intégrer en toute confiance et de s'y adapter en fonction du nombre d'objets, du débit de données requis, de la portée et de la puissance de transmission nécessaires, ainsi que de l'énergie disponible. Cette adaptabilité à l'environnement doit tenir compte de la mobilité de ces objets, qui doivent pouvoir appartenir à différents réseaux à différents moments, ainsi que de la confiance qu'on peut ou pas avoir dans ces différents réseaux. Il s'agit de trouver de nouveaux mécanismes de sécurité qui tiennent compte des contraintes liées à l'internet des objets : solutions de sécurité à faible empreinte mémoire, à faible charge de calcul, économes en énergie, génériques et indépendantes des protocoles. Il s'agit également de proposer, en cas d'attaques réussies, des contre-mesures par le biais de techniques de reconfiguration et de réadaptation matériel / logiciel. Après avoir mis en évidence les limites et les possibilités du fingerprinting, à travers un cas d'étude pratique utilisant la Densité Spectrale de Puissance (DSP) comme caractéristique de fingerprinting, ces travaux proposent une nouvelle approche de sécurité innovante, à travers l'authentification dynamique de messages avec une technique basé sur la Polarization Shift Keying. Cette approche de sécurité - à empreinte mémoire légère, indépendante des protocoles et non invasive - consiste à contrôler cryptographiquement la polarisation de l'onde radio émise par un appareil dans le but de transmettre, parallèlement au message principal, des données d'authentification de ce message principal. Les résultats expérimentaux de cette nouvelle méthode d'authentification des messages montrent que cette technique est une approche prometteuse pour sécuriser les communications dans l'internet des objets en se basant sur la couche PHY. Les solutions proposées sont génériques et indépendantes de protocoles.

Internet of Things (IoT) devices are highly vulnerable in terms of cybersecurity. Vulnerability factors include ''(1)-weak security design, which focuses more on services than on security, (2)-wireless communication makes attacks such as replay, mimicking, man-in-the-middle and spoofing easier, (3)-interaction with devices through firmware updates, as well as collecting and sharing information for economic purposes''. Attacks targeting IoT will certainly increase with the emergence of Artificial Intelligence (AI). In this context, securing IoT devices remains a major challenge, because of their resource-constrained nature, the high decentralization of IoT networks as a result of direct machine-to-machine communication, making it difficult, for example, the deployment of firewall-like solutions, and the use of a multitude of protocols in IoT, making protocol independency a requirement for security solutions. The objectives of this thesis are to propose original security solutions at the physical layer to allow IoT devices to discover their environment, integrate into it with confidence, and adapt to it depending on the number of devices, the required data rate, the required range and transmission power, and the available energy. This adaptability to the environment must take into account the mobility of these devices, which must be able to belong to different networks at different moments, as well as the trust that can or cannot be placed in these different networks. New security mechanisms that take into account IoT-related constraints need to be found: security solutions with a lightweight memory footprint, low computational workload, energy-efficient, generic and protocol-independent. In the case of successful attacks, countermeasures through hardware/software reconfiguration and readaptation techniques are also needed. After highlighting the limitations and opportunities of fingerprinting, through a hands-on application using Power Spectral Density (PSD) as fingerprinting feature, this work proposes a new and innovative security approach, through dynamic authentication of messages using a technique based on Polarization Shift Keying. This security approach - lightweight, protocol-independent and non-invasive - consists in cryptographically controlling the polarization of the radio wave emitted by a device in order to transmit, in parallel with the main message, authentication data for this main message. The experimental results of this new authentication method show that this technique is a promising approach for securing communications in IoT based on the PHY layer. The proposed solutions are generic and protocol-independent.