<p>In service-oriented architecture, services can communicate and share data among themselves. This thesis presents a solution that allows detecting several types of data leakages made by authorized insiders to unauthorized services. My solution provides role-based and attribute-based access control for data so that each service can access only those data subsets for which the service is authorized, considering a context and service’s attributes such as security level of the web browser and trust level of service. My approach provides data protection in transit and at rest for both centralized and peer-to-peer service architectures. The methodology ensures confidentiality and integrity of data, including data stored in untrusted cloud. In addition to protecting data against malicious or curious cloud or database administrators, the capability of running a search through encrypted data, using SQL queries, and building analytics over encrypted data is supported. My solution is implemented in the “WAXEDPRUNE” (Web-based Access to Encrypted Data Processing in Untrusted Environments) project, funded by Northrop Grumman Cybersecurity Research Consortium. WAXEDPRUNE methodology is illustrated in this thesis for two use cases, including a Hospital Information System with secure storage and exchange of Electronic Health Records and a Vehicle-to-Everything communication system with secure exchange of vehicle’s and drivers’ data, as well as data on road events and road hazards. </p><p>To help with investigating data leakage incidents in service-oriented architecture, integrity of provenance data needs to be guaranteed. For that purpose, I integrate WAXEDPRUNE with IBM Hyperledger Fabric blockchain network, so that every data access, transfer or update is recorded in a public blockchain ledger, is non-repudiatable and can be verified at any time in the future. The work on this project, called “Blockhub,” is in progress.</p>

Le Cloud Computing, ou informatique en nuages, est un environnement de stockage et d’exécution flexible et dynamique qui offre à ses utilisateurs des ressources informatiques à la demande via internet. Le Cloud Computing se développe de manière exponentielle car il offre de nombreux avantages rendus possibles grâce aux évolutions majeures des Data Centers et de la virtualisation. Cependant, la sécurité est un frein majeur à l’adoption du Cloud car les données et les traitements seront externalisés hors de site de confiance de client. Cette thèse contribue à résoudre les défis et les issues de la sécurité des données dans le Cloud pour les applications critiques. En particulier, nous nous intéressons à l’utilisation de stockage pour les applications médicales telles que les dossiers de santé électroniques et les réseaux de capteurs pour la santé. D’abord, nous étudions les avantages et les défis de l’utilisation du Cloud pour les applications médicales. Ensuite, nous présentons l’état de l’art sur la sécurité dans le Cloud et les travaux existants dans ce domaine. Puis nous proposons une architecture sécurisée basée sur le Cloud pour la supervision des patients. Dans cette solution, nous avons développé un contrôle d’accès à granularité fine pour résoudre les défis de la sécurité des données dans le Cloud. Enfin, nous proposons une solution de gestion des accès en urgence. / Cloud computing has recently emerged as a new paradigm where resources of the computing infrastructures are provided as services over the Internet. However, this paradigm also brings many new challenges for data security and access control when business or organizations data is outsourced in the cloud, they are not within the same trusted domain as their traditional infrastructures. This thesis contributes to overcome the data security challenges and issues due to using the cloud for critical applications. Specially, we consider using cloud storage services for medical applications such as Electronic Health Record (EHR) systems and medical Wireless Sensor Networks. First, we discuss the benefits and challenges of using cloud services for healthcare applications. Then, we study security risks of the cloud, and give an overview on existing works. After that, we propose a secure and scalable cloud-based architecture for medical applications. In our solution, we develop a fine-grained access control in order to tackle the challenge of sensitive data security, complex and dynamic access policies. Finally, we propose a secure architecture for emergency management to meet the challenge of emergency access.

Dizertační práce se zabývá kryptografickými schématy zvyšující ochranu soukromí uživatelů v systémech řízení přístupu a sběru dat. V současnosti jsou systémy fyzického řízení přístupu na bázi čipových karet využívány téměř dennodenně většinou z nás, například v zaměstnání, ve veřejné dopravě a v hotelech. Tyto systémy však stále neposkytují dostatečnou kryptografickou ochranu a tedy bezpečnost. Uživatelské identifikátory a klíče lze snadno odposlechnout a padělat. Funkce, které by zajišťovaly ochranu soukromí uživatele, téměř vždy chybí. Proto je zde reálné riziko možného sledovaní lidí, jejich pohybu a chovaní. Poskytovatelé služeb nebo případní útočníci, kteří odposlouchávají komunikaci, mohou vytvářet profily uživatelů, ví, co dělají, kde se pohybují a o co se zajímají. Za účelem zlepšení tohoto stavu jsme navrhli čtyři nová kryptografická schémata založená na efektivních důkazech s nulovou znalostí a kryptografii eliptických křivek. Konkrétně dizertační práce prezentuje tři nová autentizační schémata pro využití v systémech řízení přístupu a jedno nové schéma pro využití v systémech sběru dat. První schéma využívá distribuovaný autentizační přístup vyžadující spolupráci více RFID prvků v autentizačním procesu. Tato vlastnost je výhodná zvláště v případech řízení přístupu do nebezpečných prostor, kdy pro povolení přístupu uživatele je nezbytné, aby byl uživatel vybaven ochrannými pomůckami (se zabudovanými RFID prvky). Další dvě schémata jsou založena na atributovém způsobu ověření, tj. schémata umožňují anonymně prokázat vlastnictví atributů uživatele, jako je věk, občanství a pohlaví. Zatím co jedno schéma implementuje efektivní revokační a identifikační mechanismy, druhé schéma poskytuje nejrychlejší verifikaci držení uživatelských atributů ze všech současných řešení. Poslední, čtvrté schéma reprezentuje schéma krátkého skupinového podpisu pro scénář sběru dat. Schémata sběru dat se používají pro bezpečný a spolehlivý přenos dat ze vzdálených uzlů do řídící jednotky. S rostoucím významem chytrých měřičů v energetice, inteligentních zařízení v domácnostech a rozličných senzorových sítí, se potřeba bezpečných systémů sběru dat stává velmi naléhavou. Tato schémata musí podporovat nejen standardní bezpečnostní funkce, jako je důvěrnost a autentičnost přenášených dat, ale také funkce nové, jako je silná ochrana soukromí a identity uživatele či identifikace škodlivých uživatelů. Navržená schémata jsou prokazatelně bezpečná a nabízí celou řadu funkcí rozšiřující ochranu soukromí a identity uživatele, jmenovitě se pak jedná o zajištění anonymity, nesledovatelnosti a nespojitelnosti jednotlivých relací uživatele. Kromě úplné kryptografické specifikace a bezpečnostní analýzy navržených schémat, obsahuje tato práce také výsledky měření implementací jednotlivých schémat na v současnosti nejpoužívanějších zařízeních v oblasti řízení přístupu a sběru dat.

The Vehicular Ad Hoc Network (VANET) is a promising approach for future Intelligent Transportation Systems (ITS) implementation. The data transmission is wireless primarily in the VANET system. The secure data transmission in VANET attracts research attention without any doubt. The Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption (CP-ABE) provides an encrypted access control mechanism for broadcasting messages in VANET. The user’s attributes stand for its current property. However, if we apply vehicle location as the attribute, this attribute has to keep up-to-date with the vehicle’s movement. It is not easy for current CP-ABE algorithms because whenever one attribute changes, the entire private key, which is based on all the attributes, must be changed. In this thesis, we apply fading function to realize the “dynamic attribute” feature in CP-ABE. The dynamic attribute allows the user to update each attribute separately, and fading function gives each attribute a valid period. We introduce the dynamic attribute feature to three different CP-ABE algorithms. Then we design a VANET system that applies the CP-ABE with dynamic attribute feature. We evaluate the processing time of three different CP-ABE algorithms. We apply two different pairing curves for different security requirements. Our results show that the introduction of fading function does not cause significant extra time cost to current CP-ABE algorithms. The fading function causes extra 0.2ms on average for each attribute that participates in encryption and decryption. The sum-up time for encryption and decryption is between 100ms to 200ms when there are ten attributes participating in encryption and decryption. / VANET är ett lovande tillvägagångssätt för framtida genomförande av ITS. Dataöverföringen är i första hand trådlös i VANET-systemet. Den säkra dataöverföringen i VANET är utan tvekan föremål för forskningens uppmärksamhet. CP-ABE ger en krypterad åtkomstkontrollmekanism för sändning av meddelanden i VANET. Användarens attribut står för dennes aktuella egenskaper. Men om vi använder fordonets position som attribut måste detta attribut hålla sig uppdaterat med fordonets rörelse. Det är inte lätt för de nuvarande CP-ABE-algoritmerna eftersom hela den privata nyckeln, som är baserad på alla attribut, måste ändras när ett attribut ändras. I den här avhandlingen tillämpar vi fading-funktionen för att realisera funktionen ”dynamiskt attribut” i CP-ABE. Det dynamiska attributet gör det möjligt för användaren att uppdatera varje attribut separat, och fading-funktionen ger varje attribut en giltighetstid. Vi inför den dynamiska attributfunktionen i tre olika CP-ABE-algoritmer. Därefter utformar vi ett VANET-system som tillämpar CP-ABE med dynamisk attributfunktion. Vi utvärderar tidsåtgången för tre olika CP-ABE-algoritmer. Vi tillämpar två olika parningskurvor för olika säkerhetskrav. Våra resultat visar att införandet av fading-funktionen inte orsakar någon betydande tidsåtgång för de nuvarande CP-ABE-algoritmerna. Fading-funktionen orsakar i genomsnitt 0,2 ms extra för varje attribut som deltar i kryptering och dekryptering. Den sammanlagda tiden för kryptering och dekryptering är mellan 100 och 200 ms när tio attribut deltar i kryptering och dekryptering.