Cette thèse aborde des nouveaux défis de sécurité dans l'Internet des Objets (IdO). La transition actuelle de l'Internet classique vers l'Internet des Objets conduit à de nombreux changements dans les modèles de communications sous-jacents. La nature hétérogène des communications de l’IdO et le déséquilibre entre les capacités des entités communicantes qui le constituent rendent difficile l'établissement de connexions sécurisées de bout en bout. Contrairement aux nœuds de l’Internet traditionnel, la plupart des composants de l'Internet des Objets sont en effet caractérisés par de faibles capacités en termes d'énergie et de puissance calcul. Par conséquent, ils ne sont pas en mesure de supporter des systèmes de sécurité complexes. En particulier, la mise en place d'un canal de communication sécurisé de bout en bout nécessite l’établissement d'une clé secrète commune entre les deux nœuds souhaitant communiquer, qui sera négociée en s'appuyant sur un protocole d'échange de clés tels que le Transport Layer Security (TLS) Handshake ou l’Internet Key Exchange (IKE). Or, une utilisation directe de ces protocoles pour établir des connexions sécurisées entre deux entités de l’IdO peut être difficile en raison de l'écart technologique entre celles-ci et des incohérences qui en résultent sur le plan des primitives cryptographiques supportées. Le sujet de l'adaptation des protocoles de sécurité existants pour répondre à ces nouveaux défis a récemment été soulevé dans la communauté scientifique. Cependant, les premières solutions proposées n'ont pas réussi à répondre aux besoins des nœuds à ressources limitées. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles approches collaboratives pour l'établissement de clés, dans le but de réduire les exigences des protocoles de sécurité existants, afin que ceux-ci puissent être mis en œuvre par des nœuds à ressources limitées. Nous avons particulièrement retenu les protocoles TLS Handshake, IKE et HIP BEX comme les meilleurs candidats correspondant aux exigences de sécurité de bout en bout pour l'IdO. Puis nous les avons modifiés de sorte que le nœud contraint en énergie puisse déléguer les opérations cryptographiques couteuses à un ensemble de nœuds au voisinage, tirant ainsi avantage de l'hétérogénéité spatiale qui caractérise l’IdO. Nous avons entrepris des vérifications formelles de sécurité et des analyses de performance qui prouvent la sureté et l'efficacité énergétique des protocoles collaboratifs proposés. Dans une deuxième partie, nous avons porté notre attention sur une classe d’attaques internes que la collaboration entre les nœuds peut induire et que les mécanismes cryptographiques classiques, tels que la signature et le chiffrement, s'avèrent impuissants à contrer. Cela nous a amené à introduire la notion de confiance au sein d'un groupe collaboratif. Le niveau de fiabilité d'un nœud est évalué par un mécanisme de sécurité dédié, connu sous le nom de système de gestion de confiance. Ce système est lui aussi instancié sur une base collaborative, dans laquelle plusieurs nœuds partagent leurs témoignages respectifs au sujet de la fiabilité des autres nœuds. En nous appuyant sur une analyse approfondie des systèmes de gestion de confiance existants et des contraintes de l’IoD, nous avons conçu un système de gestion de confiance efficace pour nos protocoles collaboratifs. Cette efficacité a été évaluée en tenant compte de la façon dont le système de gestion de la confiance répond aux exigences spécifiques à nos approches proposées pour l'établissement de clés dans le contexte de l'IdO. Les résultats des analyses de performance que nous avons menées démontrent le bon fonctionnement du système proposé et une efficacité accrue par rapport à la littérature / This thesis addresses new security challenges in the Internet of Things (IoT). The current transition from legacy Internet to Internet of Things leads to multiple changes in its communication paradigms. Wireless sensor networks (WSNs) initiated this transition by introducing unattended wireless topologies, mostly made of resource constrained nodes, in which radio spectrum therefore ceased to be the only resource worthy of optimization. Today's Machine to Machine (M2M) and Internet of Things architectures further accentuated this trend, not only by involving wider architectures but also by adding heterogeneity, resource capabilities inconstancy and autonomy to once uniform and deterministic systems. The heterogeneous nature of IoT communications and imbalance in resources capabilities between IoT entities make it challenging to provide the required end-to-end secured connections. Unlike Internet servers, most of IoT components are characterized by low capabilities in terms of both energy and computing resources, and thus, are unable to support complex security schemes. The setup of a secure end-to-end communication channel requires the establishment of a common secret key between both peers, which would be negotiated relying on standard security key exchange protocols such as Transport Layer Security (TLS) Handshake or Internet Key Exchange (IKE). Nevertheless, a direct use of existing key establishment protocols to initiate connections between two IoT entities may be impractical because of the technological gap between them and the resulting inconsistencies in their cryptographic primitives. The issue of adapting existing security protocols to fulfil these new challenges has recently been raised in the international research community but the first proposed solutions failed to satisfy the needs of resource-constrained nodes. In this thesis, we propose novel collaborative approaches for key establishment designed to reduce the requirements of existing security protocols, in order to be supported by resource-constrained devices. We particularly retained TLS handshake, Internet key Exchange and HIP BEX protocols as the best keying candidates fitting the end-to-end security requirements of the IoT. Then we redesigned them so that the constrained peer may delegate its heavy cryptographic load to less constrained nodes in neighbourhood exploiting the spatial heterogeneity of IoT nodes. Formal security verifications and performance analyses were also conducted to ensure the security effectiveness and energy efficiency of our collaborative protocols. However, allowing collaboration between nodes may open the way to a new class of threats, known as internal attacks that conventional cryptographic mechanisms fail to deal with. This introduces the concept of trustworthiness within a collaborative group. The trustworthiness level of a node has to be assessed by a dedicated security mechanism known as a trust management system. This system aims to track nodes behaviours to detect untrustworthy elements and select reliable ones for collaborative services assistance. In turn, a trust management system is instantiated on a collaborative basis, wherein multiple nodes share their evidences about one another's trustworthiness. Based on an extensive analysis of prior trust management systems, we have identified a set of best practices that provided us guidance to design an effective trust management system for our collaborative keying protocols. This effectiveness was assessed by considering how the trust management system could fulfil specific requirements of our proposed approaches for key establishment in the context of the IoT. Performance analysis results show the proper functioning and effectiveness of the proposed system as compared with its counterparts that exist in the literature

Abstract The concept of the Internet of Things (IoT) is driven by advancements of the Internet with the interconnection of heterogeneous smart objects using different networking and communication technologies. Among many underlying networking technologies for the IoT, Wireless Sensor Network (WSN) technology has become an integral building block. IoT enabled sensor networks provide a wide range of application areas such as smart homes, connected healthcare, smart cities and various solutions for the manufacturing industry. The integration of WSNs in IoT will also create new security challenges for establishing secure channels between low power sensor nodes and Internet hosts. This will lead to many challenges in designing new key establishment and authentication protocols and redefining the existing ones. This dissertation addresses how to integrate lightweight key management and authentication solutions in the resource constrained sensor networks deployed in IoT domains. Firstly, this thesis elaborates how to exploit the implicit certificates to initiate secure End-to-End (E2E) communication channels between the resource constrained sensor nodes in IoT networks. Implicit certificates are used for authentication and key establishment purposes. The compliance of the security schemes is proven through performance evaluations and by discussing the security properties. Secondly, this dissertation presents the design of two lightweight group key establishment protocols for securing group communications between resource-constrained IoT devices. Finally, the thesis explores promising approaches on how to tailor the existing security protocols in accordance with IoT device and network characteristics. In particular, variants of Host Identity Protocol (HIP) are adopted for constructing dynamic and secure E2E connections between the heterogeneous network devices with imbalanced resource profiles and less or no previous knowledge about each other. A solutions called Collaborative HIP (CHIP) is proposed with an efficient key establishment component for the high resource-constrained devices on the IoT. The applicability of the keying mechanism is demonstrated with the implementation and the performance measurements results. / Tiivistelmä Esineiden internet (IoT) on viime aikoina yleistynyt konsepti älykkäiden objektien (smart objects) liittämiseksi internetiin käyttämällä erilaisia verkko- ja kommunikaatioteknologioita. Olennaisimpia esineiden internetin pohjalla toimivia teknologioita ovat langattomat sensoriverkot (WSN), jotka ovat esineiden internetin perusrakennuspalikoita. Esineiden internetiin kytketyt langattomat sensoriverkot mahdollistavat laajan joukon erilaisia sovelluksia, kuten älykodit, etäterveydenhuollon, älykkäät kaupungit sekä älykkäät teollisuuden sovellukset. Langattomien sensoriverkkojen ja esineiden internetin yhdistäminen tuo mukanaan myös tietoturvaan liittyviä haasteita, sillä laskentateholtaan yleensä heikot anturit ja toimilaitteet eivät kykene kovin vaativiin tietoturvaoperaatioihin, joihin lukeutuvat mm. tietoturva-avaimen muodostus ja käyttäjäntunnistus. Tässä väitöskirjassa pyritään vastaamaan haasteeseen käyttämällä kevyitä avaimenmuodostus- ja käyttäjäntunnistusratkaisuja esineiden internetiin kytketyissä resurssirajoitetuissa sensoriverkoissa. Väitöstutkimuksessa keskitytään aluksi implisiittisten sertifikaattien käyttöön tietoturvallisten end-to-end-kommunikaatiokanavien alustamisessa resurssirajoitettujen sensori- ja muiden IoT-laitteiden välillä. Implisiittisiä sertifikaatteja käytetään käyttäjäntunnistuksessa sekä avaimenmuodostuksessa. Kehitettyjen ratkaisujen soveltuvuus tarkoitukseen osoitetaan suorituskykymittauksilla sekä vertaamalla niiden tietoturvaomi- naisuuksia. Seuraavaksi väitöskirjassa esitellään kaksi kevyttä ryhmäavaimenmuodostus- protokollaa tietoturvalliseen ryhmäkommunikaatioon resurssirajoitettujen IoT-laitteiden välillä. Lopuksi väitöskirjassa tarkastellaan lupaavia lähestymistapoja olemassa olevien tietoturvaprotokollien räätäläintiin IoT-laitteiden ja -verkkojen ominaisuuksille sopiviksi. Erityistä huomiota kiinnitetään Host Identity -protokollan (HIP) eri versioiden käyttöön dynaamisten ja tietoturvallisten end-to-end-yhteyksien luomiseen toisilleen ennestään tuntemattomien erityyppisten IoT-laitteiden välillä, joiden laitteistoresurssiprofiilit voivat olla hyvin erilaiset. Väitöskirjan keskeinen tulos on väitöskirjatyössä kehitetty Colla- borative HIP (CHIP) -protokolla, joka on resurssitehokas avaimenmuodostusteknologia resurssirajoitetuille IoT-laitteille. Kehitetyn teknologian soveltuvuutta tarkoitukseensa demonstroidaan prototyyppitoteutuksella tehtyjen suorituskykymittausten avulla.

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont devenus un thème porteur aussi bien pour la recherche académique que pour les activités des services de R&D en raison de leur simplicité de déploiement et de leur potentiel applicatif dans des domaines très variés (militaire, environnemental, industriel). Un RCSF est composé d'un ensemble de noeuds devant être opérationnels et autonomes énergétiquement pour de longues périodes. De ce fait ils sont limités en capacité mémoire et de calcul, et contraint à exploiter une faible puissance de transmission, ce qui en limite leur portée et rend leur débit modeste. Le besoin de sécuriser les communications dans un RCSF dépend de la criticité des données échangées pour l'application supportée. La solution doit reposer sur des échanges sûrs, confidentiels et fiables. Pour assurer la sécurisation des échanges, des techniques de cryptographie existent dans la littérature. Conçues à l'origine pour des réseaux informatiques majoritairement câblés, elles se basent généralement sur des algorithmes complexes et gourmands en ressource. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé, implémenté et évalué une architecture sécurisée et dynamique adaptée aux communications des RCSF. Elle permet de garantir et de maintenir la sécurité des communications durant toute la durée de vie d'un réseau multi-saut. Nous avons utilisé et adapté des algorithmes standards de cryptographie, tels que AES-CTR et la suite d'algorithmes basée sur ECC, qui permettent à notre architecture de résister à la majorité d'attaques. Nous avons quantifié le surcoût en temps de calcul et en occupation mémoire de notre solution. Les résultats d’implémentation de notre proposition sont issus de mesures réelles faites sur une maquette réalisée à partir de cartes TelosB. / Wireless sensor networks (WSNs) have become an attractive topic for both academic research and the activity of R&D services due to their simple deployment and their potential of application in varied fields (military, environmental, industrial). A WSN is composed of a set of nodes that are supposed to operate and to be energetically autonomous for long durations. Thus, they are limited in memory and computing capacities, and constrained to function in a low-power transmission mode which limit their communication range and leave them with low data rates.The need to secure communications in a WSN depends on the criticality of the exchanged data for the supported application. The solution must be based on safe, confidential and reliable exchanges. To ensure the security of exchanges, cryptographic techniques exist in the literature. Originally designed for mostly wired computer networks, they are usually based on complex and resource-consuming algorithms. In this thesis, we have proposed, implemented and evaluated a secure and dynamic architecture suitable for WSNs communications. It ensures and maintains secured communications throughout the lifetime of a multi-hop network. We have used and adapted standard cryptographic algorithms, such as AES-CTR and algorithms based on ECC cipher suites, which allow our architecture to resist against most attacks. We have quantified the overhead of our solution in terms of computation time and memory occupancy. The results of implementation of our proposal are obtained through real measurements on testbeds using TelosB motes.

We study the problem of secure key establishment. We critically examine the security models of Bellare and Rogaway (1993) and Canetti and Krawczyk (2001) in the computational complexity approach, as these models are central in the understanding of the provable security paradigm. We show that the partnership definition used in the three-party key distribution (3PKD) protocol of Bellare and Rogaway (1995) is flawed, which invalidates the proof for the 3PKD protocol. We present an improved protocol with a new proof of security. We identify several variants of the key sharing requirement (i.e., two entities who have completed matching sessions, partners, are required to accept the same session key). We then present a brief discussion about the key sharing requirement. We identify several variants of the Bellare and Rogaway (1993) model. We present a comparative study of the relative strengths of security notions between the several variants of the Bellare-Rogaway model and the Canetti-Krawczyk model. In our comparative study, we reveal a drawback in the Bellare, Pointcheval, and Rogaway (2000) model with the protocol of Abdalla and Pointcheval (2005) as a case study. We prove a revised protocol of Boyd (1996) secure in the Bellare-Rogaway model. We then extend the model in order to allow more realistic adversary capabilities by incorporating the notion of resetting the long-term compromised key of some entity. This allows us to detect a known weakness of the protocol that cannot be captured in the original model. We also present an alternative protocol that is efficient in both messages and rounds. We prove the protocol secure in the extended model. We point out previously unknown flaws in several published protocols and a message authenticator of Bellare, Canetti, and Krawczyk (1998) by refuting claimed proofs of security. We also point out corresponding flaws in their existing proofs. We propose fixes to these protocols and their proofs. In some cases, we present new protocols with full proofs of security. We examine the role of session key construction in key establishment protocols, and demonstrate that a small change to the way that session keys are constructed can have significant benefits. Protocols that were proven secure in a restricted Bellare-Rogaway model can then be proven secure in the full model. We present a brief discussion on ways to construct session keys in key establishment protocols and also prove the protocol of Chen and Kudla (2003) secure in a less restrictive Bellare-Rogaway model. To complement the computational complexity approach, we provide a formal specification and machine analysis of the Bellare-Pointcheval-Rogaway model using an automated model checker, Simple Homomorphism Verification Tool (SHVT). We demonstrate that structural flaws in protocols can be revealed using our framework. We reveal previously unknown flaws in the unpublished preproceedings version of the protocol due to Jakobsson and Pointcheval (2001) and several published protocols with only heuristic security arguments. We conclude this thesis with a listing of some open problems that were encountered in the study.