Récemment, le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) a standardisé les systèmes LTE/LTE-A (Long Term Evolution/LTE-Advanced) qui ont été approuvés par l'UIT (Union Internationale des Télécommunications) comme des réseaux de télécommunications mobiles de 4éme génération. La sécurité est l'une des questions essentielles qui doivent être traitées avec soin pour protéger les informations de l'opérateur et des utilisateurs. Aussi, le 3GPP a normalisé plusieurs algorithmes et protocoles afin de sécuriser les communications entre les différentes entités du réseau. Cependant, l'augmentation du niveau de sécurité dans ces systèmes ne devrait pas leur imposer des contraintes lourdes telles qu’une grande complexité de calcul ou encore une forte consommation d'énergie. En effet, l'efficacité énergétique est devenue récemment un besoin critique pour les opérateurs afin de réduire l’empreinte écologique et les coûts opérationnels de ces systèmes. Les services de sécurité dans les réseaux mobiles tels que l'authentification, la confidentialité et l'intégrité des données sont le plus souvent effectués en utilisant des techniques cryptographiques. Toutefois, la plupart des solutions standardisées déjà adoptées par le 3GPP dépendent des algorithmes de chiffrement qui possèdent une grande complexité, induisant une consommation énergétique plus élevée dans les différentes entités communicantes du réseau. La confidentialité des données, qui se réfère principalement au fait de s'assurer que l'information n'est accessible qu'à ceux dont l'accès est autorisé, est réalisée au niveau de la sous-couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) de la pile protocolaire de LTE/LTE-A par l'un des trois algorithmes normalisés (EEA1, EEA2 et EEA3). Or, chacun des trois algorithmes exige une forte complexité de calcul car ils reposent sur la théorie de chiffrement de Shannon qui utilise les fonctions de confusion et de diffusion sur plusieurs itérations. Dans cette thèse, nous proposons un nouvel algorithme de confidentialité en utilisant le concept de substitution et de diffusion dans lequel le niveau de sécurité requis est atteint en un seul tour. Par conséquent, la complexité de calcul est considérablement réduite ce qui entraîne une réduction de la consommation d'énergie par les fonctions de chiffrement et de déchiffrement. De plus, la même approche est utilisée pour réduire la complexité des algorithmes 3GPP d'intégrité des données (EIA1, EIA2 et EIA3) dont le concept de chiffrement repose sur les mêmes fonctions complexes. Enfin, nous étudions dans cette thèse le problème d'authentification dans le contexte du paradigme D2D (Device to Device communications) introduit dans les systèmes 4G. Le concept D2D se réfère à la communication directe entre deux terminaux mobiles sans passer par le cœur du réseau. Il constitue un moyen prometteur pour améliorer les performances et réduire la consommation d'énergie dans les réseaux LTE/LTE-A. Toutefois, l'authentification et la dérivation de clé entre deux terminaux mobiles dans le contexte D2D n’ont pas fait l’objet d’études. Aussi, nous proposons un nouveau protocole léger d’authentification et de dérivation de clé permettant d’authentifier les terminaux D2D et de dériver les clés nécessaires à la fois pour le cryptage et pour la protection de l'intégrité des données. / Recently, the 3rd Group Project Partnership (3GPP) has developed Long Term Evolution/ Long Term Evolution-Advanced (LTE/LTE-A) systems which have been approved by the International Telecommunication Union (ITU) as 4th Generation (4G) mobile telecommunication networks. Security is one of critical issues which should be handled carefully to protect user's and mobile operator's information. Thus, the 3GPP has standardized algorithms and protocols in order to secure the communications between different entities of the mobile network. However, increasing the security level in such networks should not compel heavy constrains on these networks such as complexity and energy. Indeed, energy efficiency has become recently a critical need for mobile network operators for reduced carbon emissions and operational costs. The security services in mobile networks such as authentication, data confidentiality and data integrity are mostly performed using cryptographic techniques.However, most of the standardized solutions already adopted by the3GPP depend on encryption algorithms which possess high computational complexity which in turn contributes in consuming further energy at the different network communication parties.Data confidentiality which mainly refers to the protection of the user’s information privacy is achieved at the Packet Data Convergence Protocol (PDCP) sub-layer in the LTE/LTE-A protocol stack by one of the three standardized algorithms (EEA1, EEA2 and EEA3). However, each of the three algorithms requires high computational complexity since they rely on Shannon’s theory of encryption algorithms by applying confusion and diffusion for several rounds. In our thesis we propose a novel confidentiality algorithm using the concept of substitution and diffusion in which the required security level is attained in only one round. Consequently the computational complexity is considerably reduced which in return results in reducing the energy consumption during both encryption and decryption procedures. Similarly, the same approach is used to reduce the complexity of 3GPP data integrity algorithms (EIA1, EIA2 and EIA3) which the core cipher rely on the same complex functions. Finally, we investigate in this thesis the authentication issue in Device to Device paradigms proposal in 4G systems. Device to Device communications refer to direct communications between two mobile devices without passing through the core network. They constitute a promising mean to increase the performance and reduce energy consumptions in LTE/LTE-A networks. In such context, the authentication and key derivation between two mobile devices have not been well investigated. Thus, a novel lightweight authentication and key derivation protocol is proposed to authenticate two communicating devices during session establishments as well as deriving necessary keys for both data encryption and integrity protection.

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.