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Theses Year : 2022

Security bootstrapping for Internet of Things

Amorçage de la sécurité dans les réseaux IoT

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Abstract

The demand for internet of Things (IoT) services is increasing exponentially, and a large number of devices are being deployed. However, these devices can represent a serious threat to the security of the deployment network and a potential entry-point when exploited by the adversaries. Thus, there is an imminent need to perform a secure association approach of the IoT objects before being rendered operational on the network of the user. This procedure is referred to as secure bootstrapping, and it primarily guarantees the confidentiality and the integrity of the data exchanges between the user and the devices. Secondly, this process provides an assurance on the identity and the origin of these objects.Due to scalability limitations, the first phase of the bootstrapping process cannot be efficiently conducted using pre-shared security knowledge such as digital certificates. This step is referred to as secure device pairing, and it ensures the establishment of a secure communication channel between the use and the object. The pairing phase uses a symmetric key agreement protocol that is suitable to the resource-constrained nature of these devices. The use of auxiliary channels has been proposed as a way to authenticate the key exchange, but they require a relatively long time and an extensive user involvement to transfer the authentication bits. However, the context-based schemes use the ambient environment to extract a common secret without an extensive user intervention under the requirement of having a secure perimeter during the extraction phase, which is considered a strong security assumption. The second phase of the bootstrapping process is referred to as secure device enrollment, and it aims at avoiding the associating of a malicious IoT object by authenticating its identity. The use of hardware security elements, such as the Physical Unclonable Function (PUF), has been introduced as a promising solution that is suitable for the resource-constraint nature of these devices. A growing number of PUF architectures has been demonstrated mathematically clonable through Machine Learning (ML) modeling techniques. The use of PUF ML models has been recently proposed to authenticate the IoT objects. Nonetheless, the leakage scenario of the PUF model to an adversary due to an insider threat within the organization is not supported by the existing solutions. Hence, the security of these PUF model-based enrollment proposals can be compromised.In this thesis, we study the secure bootstrapping process of resource-constrained devices and we introduce two security schemes:- A hybrid ad-hoc pairing protocol, called COOB, that efficiently combines a state-of-the-art fast context-based scheme with the use of an auxiliary channel. This protocol exploits a nonce exponentiation of the Diffie-Hellman public keys to achieve the temporary secrecy goal needed for the key agreement. Our method provides security even against an attacker that can violate the safe zone requirement, which is not supported by the existing contextual schemes. This security improvement has been formally validated in the symbolic model using the TAMARIN prover.- An enrollment solution that exploits a ML PUF model in the authentication process, called Water-PUF. Our enrollment scheme is based on a specifically designed black-box watermarking technique for PUF models with a binary output response. This procedure prevents an adversary from relying on the watermarked model in question or another derivative model to bypass the authentication. Therefore, any leakage of the watermarked PUF model that is used for the enrollment does not affect the correctness of the protocol. The Water-PUF design is validated by a number of simulations against numerous watermark suppression attacks to assess the robustness of our proposal.
La demande de services qui se basent sur l'Internet des objets (IoT) augmente de manière exponentielle, ce qui entraîne le déploiement d'un grand nombre de dispositifs. Cependant, ces dispositifs peuvent représenter une menace pour la sécurité du réseau de déploiement et un point d'entrée potentiel pour des adversaires. Il existe donc un besoin imminent de réaliser une approche d'association sécurisée des objets connectés avant qu'ils ne soient rendus opérationnels sur le réseau de l'utilisateur. Cette procédure, appelée "amorçage de la sécurité", garantit en premier lieu la confidentialité et l'intégrité des échanges de données entre l'utilisateur et les dispositifs. Ensuite, ce processus fournit une assurance sur l'identité et l'origine de ces objets. La première phase d'appairage assure l'établissement d'un canal de communication sécurisé entre l'utilisation et l'objet. La phase d'appairage utilise un protocole d'accord de clé symétrique qui est adapté à la nature de ces dispositifs à ressources limitées. L'utilisation de canaux auxiliaires a été proposée comme moyen d'authentifier l'échange de clés, mais elle nécessite un temps relativement long et une participation importante de l'utilisateur pour transférer les bits d'authentification. Cependant, les systèmes basés sur le contexte utilisent l'environnement ambiant pour extraire un secret commun sans intervention importante de l'utilisateur, à condition d'avoir un périmètre sécurisé pendant la phase d'extraction, ce qui est considéré comme une hypothèse de sécurité forte. La deuxième phase du processus d'amorçage est appelée "enrôlement sécurisé" et vise à éviter l'association d'un objet IoT malveillant en authentifiant son identité et son origine. L'utilisation d'éléments de sécurité matériels, tels que les fonctions physiques non clonables (PUF), a été présentée comme une solution prometteuse adaptée à la nature limitée des ressources de ces dispositifs. Un nombre croissant d'architectures PUF ont été démontrées mathématiquement clonables grâce à des techniques de modélisation par apprentissage automatique. L'utilisation de modèles de PUF a été récemment proposée pour authentifier les objets IoT. Néanmoins, le scénario de fuite du modèle PUF vers un adversaire en raison d'une menace interne au sein de l'organisation n'est pas pris en charge par les solutions existantes. Par conséquent, la sécurité de ces propositions d'inscription basées sur le modèle PUF peut être compromise. Dans cette thèse, nous étudions le processus d'amorçage de la sécurité des dispositifs à ressources limitées et nous introduisons deux protocole: - Un protocole hybride d'appairage, appelé COOB, qui combine d'une manière efficace un schéma d'appairage contextuel avec l'utilisation d'un canal auxiliaire. Ce protocole exploite une technique d'exponentiation spécifique des clés publiques Diffie-Hellman en utilisant des nonces pour atteindre l'objectif de secret temporaire nécessaire à l'accord de clé. Notre méthode assure la sécurité même contre un attaquant qui peut contrôler la zone de sécurité (un environnement hostile), ce qui n'est pas pris en charge par les schémas contextuels existants. Cette amélioration de la sécurité a été formellement validée dans le modèle symbolique en utilisant l'outil de vérification formelle TAMARIN. - Une solution d'enrôlement qui exploite un modèle de PUF dans le processus d'authentification, appelé Water-PUF. Notre protocole est basé sur une technique de tatouage numérique spécialement conçue pour les modèles PUF. Cette procédure empêche un adversaire de s'appuyer sur le modèle tatoué ou sur un autre modèle dérivé pour contourner l'authentification. Par conséquent, toute fuite du modèle PUF filigrané utilisé pour l'enrôlement n'affecte pas l'exactitude du protocole. La conception du Water-PUF est validée par un certain nombre de simulations contre de nombreuses attaques de suppression de tatouage numérique afin d'évaluer la robustesse de notre proposition.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03719946 , version 1 (11-07-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03719946 , version 1

Cite

Sameh Khalfaoui. Security bootstrapping for Internet of Things. Cryptography and Security [cs.CR]. Institut Polytechnique de Paris, 2022. English. ⟨NNT : 2022IPPAT023⟩. ⟨tel-03719946⟩
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