Dans le domaine des réseaux, deux précieux objectifs doivent être atteints, à savoir la QoS et la sécurité, plus particulièrement lorsqu’il s’agit des réseaux à caractère critique et à fortes contraintes temporelles. Malheureusement, un conflit existe : tandis que la QoS œuvre à réduire les temps de traitement, les mécanismes de sécurité quant à eux requièrent d’importants temps de traitement et causent, par conséquent, des délais et dégradent la QoS. Par ailleurs, les systèmes temps réel, la QoS et la sécurité ont très souvent été étudiés séparément, par des communautés différentes. Dans le contexte des réseaux avioniques de données, de nombreux domaines et applications, de criticités différentes, échangent mutuellement des informations, souvent à travers des passerelles. Il apparaît clairement que ces informations présentent différents niveaux de sensibilité en termes de sécurité et de QoS. Tenant compte de cela, le but de cette thèse est d’accroître la robustesse des futures générations de réseaux avioniques de données en contrant les menaces de sécurité et évitant les ruptures de trafic de données. A cet effet, nous avons réalisé un état de l’art des mécanismes de sécurité, de la QoS et des applications à contraintes temporelles. Nous avons, ensuite étudié la nouvelle génération des réseaux avioniques de données. Chose qui nous a permis de déterminer correctement les différentes menaces de sécurité. Sur la base de cette étude, nous avons identifié à la fois les exigences de sécurité et de QoS de cette nouvelle génération de réseaux avioniques. Afin de les satisfaire, nous avons proposé une architecture de passerelle de sécurité tenant compte de la QoS pour protéger ces réseaux avioniques et assurer une haute disponibilité en faveur des données critiques. Pour assurer l’intégration des différentes composantes de la passerelle, nous avons développé une table de session intégrée permettant de stocker toutes les informations nécessaires relatives aux sessions et d’accélérer les traitements appliqués aux paquets (filtrage à états, les traductions d’adresses NAT, la classification QoS et le routage). Cela a donc nécessité, en premier lieu, l'étude de la structure existante de la table de session puis, en second lieu, la proposition d'une toute nouvelle structure répondant à nos objectifs. Aussi, avons-nous présenté un algorithme permettant l’accès et l’exploitation de la nouvelle table de session intégrée. En ce qui concerne le composant VPN IPSec, nous avons détecté que le trafic chiffré par le protocole ESP d’IPSec ne peut pas être classé correctement par les routeurs de bordure. Afin de surmonter ce problème, nous avons développé un protocole, Q-ESP, permettant la classification des trafics chiffrés et offrant les services de sécurité fournis par les protocoles AH et ESP combinés. Plusieurs techniques de gestion de bande passante ont été développées en vue d’optimiser la gestion du trafic réseau. Pour évaluer les performances offertes par ces techniques et identifier laquelle serait la plus appropriée dans notre cas, nous avons effectué une comparaison basée sur le critère du délai, par le biais de tests expérimentaux. En dernière étape, nous avons évalué et comparé les performances de la passerelle de sécurité que nous proposons par rapport à trois produits commerciaux offrant les fonctions de passerelle de sécurité logicielle en vue de déterminer les points forts et faibles de notre implémentation pour la développer ultérieurement. Le manuscrit s’organise en deux parties : la première est rédigée en français et représente un résumé détaillé de la deuxième partie qui est, quant à elle, rédigée en anglais. / QoS and security are two precious objectives for network systems to attain, especially for critical networks with temporal constraints. Unfortunately, they often conflict; while QoS tries to minimize the processing delay, strong security protection requires more processing time and causes traffic delay and QoS degradation. Moreover, real-time systems, QoS and security have often been studied separately and by different communities. In the context of the avionic data network various domains and heterogeneous applications with different levels of criticality cooperate for the mutual exchange of information, often through gateways. It is clear that this information has different levels of sensitivity in terms of security and QoS constraints. Given this context, the major goal of this thesis is then to increase the robustness of the next generation e-enabled avionic data network with respect to security threats and ruptures in traffic characteristics. From this perspective, we surveyed the literature to establish state of the art network security, QoS and applications with time constraints. Then, we studied the next generation e-enabled avionic data network. This allowed us to draw a map of the field, and to understand security threats. Based on this study we identified both security and QoS requirements of the next generation e-enabled avionic data network. In order to satisfy these requirements we proposed the architecture of QoS capable integrated security gateway to protect the next generation e-enabled avionic data network and ensure the availability of critical traffic. To provide for a true integration between the different gateway components we built an integrated session table to store all the needed session information and to speed up the packet processing (firewall stateful inspection, NAT mapping, QoS classification and routing). This necessitates the study of the existing session table structure and the proposition of a new structure to fulfill our objective. Also, we present the necessary processing algorithms to access the new integrated session table. In IPSec VPN component we identified the problem that IPSec ESP encrypted traffic cannot be classified appropriately by QoS edge routers. To overcome this problem, we developed a Q-ESP protocol which allows the classifications of encrypted traffic and combines the security services provided by IPSec ESP and AH. To manage the network traffic wisely, a variety of bandwidth management techniques have been developed. To assess their performance and identify which bandwidth management technique is the most suitable given our context we performed a delay-based comparison using experimental tests. In the final stage, we benchmarked our implemented security gateway against three commercially available software gateways. The goal of this benchmark test is to evaluate performance and identify problems for future research work. This dissertation is divided into two parts: in French and in English respectively. Both parts follow the same structure where the first is an extended summary of the second.

En 2012, le trafic mobile mondial représentait 70% de plus qu'en 2011. L'arrivée de la technologie 4G a multiplié par 19 le volume de trafic non 4G, et en 2013 le nombre de mobiles connectés à l'Internet a dépassé le nombre d'êtres humains sur la planète. Les fournisseurs d'accès Internet (FAI) subissent une forte pression, car ils ont pour obligations d'assurer à leurs clients l'accès au réseau et le maintien de la qualité de service. À court/moyen terme, les opérateurs doivent délester une partie de leur trafic sur des réseaux d'accès alternatifs afin de maintenir les mêmes caractéristiques de performances. Ainsi, pour désengorger les réseaux d'accès radio (RAN), le trafic des clients peut être préférentiellement pris en charge par d'autres réseaux d'accès disponibles. Notons cependant que les réseaux d'accès sans fil offrent des niveaux de sécurité très différents. Pour les femtocells, WiFi ou WiMAX (parmi d'autres technologies sans fil), il doit être prévu des mécanismes permettant de sécuriser les communications. Les opérateurs peuvent s'appuyer sur des protocoles (tels que IPsec) afin d'étendre un domaine de sécurité sur des réseaux non sécurisés. Cela introduit de nouveaux défis en termes de performances et de connectivité pour IPsec. Cette thèse se concentre sur l'étude des mécanismes permettant de garantir et améliorer les performances du protocole IPsec en termes de continuité de service. La continuité de service, aussi connu comme résilience, devient cruciale lorsque le trafic mobile est dévié depuis un réseau d'accès RAN vers d'autres réseaux d'accès alternatifs. C'est pourquoi nous nous concentrons d'abord dans l'ensemble de protocoles assurant une communication IP: IKEv2 et IPsec. Ensuite, nous présentons une étude détaillée des paramètres nécessaires pour maintenir une session VPN, et nous démontrons qu'il est possible de gérer dynamiquement une session VPN entre différentes passerelles de sécurité. L'une des raisons qui justifient la gestion des sessions VPN est d'offrir de la haute disponibilité, le partage de charge ou l'équilibrage de charge pour les connexions IPsec. Ces mécanismes ont pour finalité d'augmenter la continuité de service de sessions IPsec. Certains nouveaux mécanismes ont été récemment mis en oeuvre pour assurer la haute disponibilité sur IPsec. Le projet open source VPN, StrongSwan, a mis en place un mécanisme appelé ClusterIP afin de créer un cluster de passerelles IPsec. Nous avons fusionné cette solution basée sur ClusterIP avec nos propres développements afin de définir deux architectures : une architecture permettant la Haute Disponibilité et une deuxième architecture présentant la gestion dynamique d'un contexte IPsec. Nous avons défini deux environnements : le Mono-LAN où un cluster de noeuds est configuré sous une même adresse IP unique, et le Multi-LAN où chaque passerelle de sécurité dispose d'une adresse IP différente. Les mesures de performance tout au long de la thèse montrent que le transfert d'une session VPN entre différentes passerelles évite les délais supplémentaires liés à la ré-authentification et réduit la consommation CPU, ainsi que les calculs par le matériel cryptographique. D'un point de vue FAI, le transfert de contexte IPsec/IKEv2 pourrait être utilisé pour éviter la surcharge des passerelles, et permettre la redistribution de la charge, de meilleures performances du réseau ainsi que l'amélioration de la qualité de service. L'idée est de permettre à un utilisateur de profiter de la continuité d'un service tout en conservant le même niveau de sécurité que celui initialement proposé / During 2012, the global mobile traffic represented 70\% more than 2011. The arrival of the 4G technology introduced 19 times more traffic than non-4G sessions, and in 2013 the number of mobile-connected to the Internet exceeded the number of human beings on earth. This scenario introduces great pressure towards the Internet service providers (ISPs), which are called to ensure access to the network and maintain its QoS. At short/middle term, operators will relay on alternative access networks in order to maintain the same performance characteristics. Thus, the traffic of the clients might be offloaded from RANs to some other available access networks. However, the same security level is not ensured by those wireless access networks. Femtocells, WiFi or WiMAX (among other wireless technologies), must rely on some mechanism to secure the communications and avoid untrusted environments. Operators are mainly using IPsec to extend a security domain over untrusted networks. This introduces new challenges in terms of performance and connectivity for IPsec. This thesis concentrates on the study of the mechanism considering improving the IPsec protocol in terms of continuity of service. The continuity of service, also known as resilience, becomes crucial when offloading the traffic from RANs to other access networks. This is why we first concentrate our effort in defining the protocols ensuring an IP communication: IKEv2 and IPsec. Then, we present a detailed study of the parameters needed to keep a VPN session alive, and we demonstrate that it is possible to dynamically manage a VPN session between different gateways. Some of the reasons that justify the management of VPN sessions is to provide high availability, load sharing or load balancing features for IPsec connections. These mechanisms increase the continuity of service of IPsec-based communication. For example, if for some reason a failure occurs to a security gateway, the ISP should be able to overcome this situation and to provide mechanisms to ensure continuity of service to its clients. Some new mechanisms have recently been implemented to provide High Availability over IPsec. The open source VPN project, StrongSwan, implemented a mechanism called ClusterIP in order to create a cluster of IPsec gateways. We merged ClusterIP with our own developments in order to define two architectures: High Availability and Context Management over Mono-LAN and Multi-LAN environments. We called Mono-LAN those architectures where the cluster of security gateways is configured under a single IP address, whereas Multi-LAN concerns those architectures where different security gateways are configured with different IP addresses. Performance measurements throughout the thesis show that transferring a VPN session between different gateways avoids re-authentication delays and reduce the amount of CPU consumption and calculation of cryptographic material. From an ISP point of view, this could be used to avoid overloaded gateways, redistribution of the load, better network performances, improvements of the QoS, etc. The idea is to allow a peer to enjoy the continuity of a service while maintaining the same security level that it was initially proposed

With the emergence of cloud-native applications, the need to secure networks and services creates new requirements concerning automation, manageability, and scalability across data centers. Several solutions have been developed to overcome the limitations of the conventional and well established IPsec suite as a secure tunneling solution. One strategy to meet these new requirements has been the design of software-based overlay networks. In this thesis, we assess the deployment of a traditional IPsec VPN solution against a new secure overlay mesh network called Nebula. We conduct a case study by provisioning an experimental system to evaluate Nebula in four key areas: reliability, security, manageability, and performance. We discuss the strengths of Nebula and its limitations for securing inter-service communication in distributed cloud applications. In terms of reliability, the thesis shows that Nebula falls short to meet its own goals of achieving host-to-host connectivity when attempting to traverse specific firewalls and NATs. With respect to security, Nebula provides certificate-based authentication and uses current and fast cryptographic algorithms and protocols from the Noise framework. Regarding manageability, Nebula is a modern solution with a loosely coupled design that allows scalability with cloud-ready features and easier deployment than IPsec. Finally, the performance of Nebula clearly shows an overhead for being a user-space software application. However, the overhead can be considered acceptable in certain server-to-server microservice interactions and is a fair trade-off for its ease of management in comparison to IPsec. / Med framväxten av molninbyggda applikationer skapar behovet av säkra nätverk och tjänster nya krav på automatisering, hanterbarhet och skalbarhet över datacenter. Flera lösningar har utvecklats för att övervinna begränsningarna i den konventionella och väletablerade IPsec-sviten som en säker tunnellösning. En strategi för att möta dessa nya krav har varit utformningen av mjukvarubaserade överläggsnätverk. I den här avhandlingen bedömer vi implementeringen av en traditionell IPsec VPN-lösning mot ett nytt säkert överläggsmeshnätverk som kallas Nebula. Vi genomför en fallstudie genom att bygga upp ett ett experimentellt system för att utvärdera Nebula inom fyra nyckelområden: tillförlitlighet, säkerhet, hanterbarhet och prestanda. Vi diskuterar styrkan i Nebula och dess begränsningar för att säkra kommunikation mellan tjänster i distribuerade molnapplikationer. När det gäller tillförlitlighet visar avhandlingen att Nebula inte uppfyller sina egna mål om att uppnå värd-tillvärd- anslutning när man försöker korsa specifika brandväggar och NAT. När det gäller säkerhet tillhandahåller Nebula certifikatbaserad autentisering och använder aktuella och snabba kryptografiska algoritmer och protokoll från Noise-ramverket. När det gäller hanterbarhet är Nebula en modern lösning med en löst kopplad design som möjliggör skalbarhet med molnklara funktioner och enklare distribution än IPsec. Slutligen visar prestandan hos Nebula tydligt en overhead för att vara en användarutrymme-programvara. Dock kan kostnaderna anses vara acceptabla i vissa server-till-server-mikroserviceinteraktioner och är en rättvis avvägning om vi tar i betraktande dess enkla hantering jämfört med IPsec.

It is recognized that security services in information-processing systems require access to finite resources in the execution of their duties. In response to the changing threats faced by a system and/or the availability of system resources, it is desired that the system be able to adjust its operational security policies automatically while continuing to function under an acceptable global security policy. This work involves the analysis and integration of a dynamic security service (DSS)-enabled IPsec implementation into a form ready for installation into the MYSEA environment. The feasibility of dynamic security services is demonstrated with support for secrecy and/or integrity protection of MLS server-to-end-user communication via a Trusted Path Extension. This is accomplished through the modulation of the IPsec security associations to adapt to operational needs. The result of this research is beneficial to Homeland Security, the Department of Defense, and the intelligence community by enabling remote distributed computing clients to operate in a secure manner that remains flexible to adapt to changing requirements of protection on the network and the availability of resources on terminating hosts. Furthermore, these methods can aid the realization of high-assurance edge-client connectivity in the creation and extension of the Global Information Grid (GIG).

The main goal of this thesis is to articulate and to prove security properties of the key exchange protocol IKE, through which the IPSec protocol establishes agreement on keys used for securing internet traffic. It also covers the description of differences between asymptotic and concrete security treatments and the notions of key exchange security and the security of underlying primitives used by key exchange protocols, in the context of concrete security. A general description of IPSec and its main functionalities follows, accompanied by detailed descriptions of both versions of IKE (IKEv1, IKEv2). A general introduction to key exchange is also included and a representative of signature-based version of IKE is introduced and its security is analysed. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Approved for public release, distribution is unlimited / With the rapidly growing demand for portable devices such as laptops, handheld computers and Personal Digital Assistants (PDAs) with wireless networking capabilities, the need for reliable wireless data network communication has also increased. Just like in mobile voice communication, users demand uninterrupted, secure wireless data communication as they move from place to place. Mobile IP satisfies some of these demands - it enables mobile devices with fixed IP addresses to be permanently reachable even as their point of attachment to the network changes. This allows for routing of data packets to and from the mobile device irrespective of its location on the network. While uninterrupted data flow can be achieved with Mobile IP, it introduces additional security vulnerabilities, including data privacy, data integrity and authentication. The goal of this thesis is to investigate such vulnerabilities and explore implementations to overcome them. / Civilian, National Science Foundation

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På ett företag eller universitet finns det oftast regler/policys som förklarar hur manfår använda deras nätverk. Om någon bryter mot reglerna vill man kunna identifierapersonen. Denna rapport inriktar sig på att identifiera en användare i ett nätverk. För att kunna identifiera en användare behöver man uppnå spårbarhet. En jämförelsemellan två teknologier (IPsec och dot1x) utfördes, två testmiljöer för detta sattes uppen för vardera teknologi. PfSense (routern) ansluter användarna från det internanätverket till det externa. I routern kan man sedan med hjälp av Packet Capture sevad användaren gör på nätverket. Ett PING används för att illustrera att något görsmot servern, det skulle lika gärna kunna vara en attack som utförts. Illustreringenvisar då att man kan spåra om något utförts som strider mot företagets/universitetetsregler. Resultaten delades upp i två delar, en för dot1x och en för IPsec. Flera scenariongjordes, där användaren har gjort något, exempelvis skickat ett PING till servern.Data utifrån detta samlades in för att se om man kunde identifiera vilken användaresom skickade ett PING till servern. Efter att flera scenarion hade utförts visaderesultatet att spårbarhet gick att uppnå med båda teknologierna.

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A compact cryptographic processor with custom integrated cryptographic coprocessors is designed and implemented. The processor is mainly aimed for IPSec applications, which require intense processing power for cryptographic operations. In the present design, this processing power is achieved via the custom cryptographic coprocessors. These are an AES engine, a SHA-1 engine and a Montgomery modular multiplier, which are connected to the main processor core through a generic flexible interface. The processor core is fully compatible with Zylin Processor Unit (ZPU) instruction set, allowing the use of ZPU toolchain. A minimum set of required instructions is implemented in hardware, while the rest of the instructions are emulated in software. The functionality of the cryptographic processor and its suitability for IPSec applications are demonstrated through implementation of sample IPSec protocols in C-code, which is compiled into machine code and run on the processor. The resultant processor, together with the sample codes, presents a pilot platform for the demonstration of hardware/software co-design and performance evaluation of IPSec protocols and components.