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Theses Year : 2023

Performance and Verifiability of IoT Security Protocols

Performance et vérifiabilité des protocoles de sécurité IoT

Mohamad Mansouri

Abstract

The Internet of Things (IoT) is one of the most important technologies in our current world. It is composed of connected devices with sensors and processing abilities, all connected to a single platform that orchestrates them. The integration of these IoT devices into many real-life applications (eg., transportation, industries, ...) implies significant performance and efficiency improvements. As a consequence, we have seen a boom in the number of IoT devices deployed and their corresponding platforms. These IoT devices use real-time data from their deployment environment and send them to the platform. The collected data by these devices often consist of sensitive information belonging to the individual who uses this technology. Hence, the privacy of users' data is one of the important concerns in IoT. Moreover, IoT applications rely on automating frequent tasks to achieve better efficiency. Unfortunately, moving control of usually human-controlled operations to the IoT presents some non-negligible risks to the safety of IoT users. This thesis deals with the privacy and safety concerns raised by IoT. We propose security protocols that preserve the privacy of the users' data. In addition to privacy, we design verifiable solutions that guarantee the correctness of the computations performed by the IoT devices and the platform and hence increase trust toward this technology. We design these solutions while focusing on their performance. More precisely, we propose protocols that are scalable to cope with the increasing number of IoT devices. We also consider protocols that are fault-tolerant to cope with the frequent dropouts of IoT devices. We particularly focus on two security protocols: Secure Aggregation and Remote Attestation. Secure aggregation is a protocol where an aggregator computes the sum of the private inputs of a set of users. In this thesis, we propose the first verifiable secure aggregation protocol (VSA) that gives formal guarantees of security in the malicious model. Our solution preserves the privacy of users' inputs and the correctness of the aggregation result. Moreover, we propose a novel fault-tolerant secure aggregation protocol (FTSA) based on additively-homomorphic encryption. The scheme allows users in secure aggregation to drop from the protocol and offers a mechanism to recover the aggregate without affecting the privacy of the data. We show that FTSA outperforms the state-of-the-art solutions in terms of scalability with respect to the number of users. On the other hand, a remote attestation protocol is a protocol that allows an IoT device (acting as a prover) to prove its software integrity to the IoT platform (acting as the verifier). We propose a new collaborative remote attestation protocol (FADIA) in which devices collect attestations from each other and aggregate them. FADIA deals with the heterogeneity and dynamic nature of IoT by considering fairness in its design. The evaluation of FADIA shows an increase in the lifetime of the overall network.
L'internet des objets (IoT) est l'une des technologies les plus importantes de notre monde actuel. Il est composé d'appareils connectés dotés de capteurs et de capacités de traitement, tous reliés à une plateforme unique qui les orchestre. L'intégration de ces dispositifs IoT dans de nombreuses applications de la vie réelle (par exemple, le transport, les soins de santé, les industries, ...) a impliqué des améliorations significatives de la performance et de l'efficacité. En conséquence, nous avons assisté à un boom du nombre de dispositifs IoT déployés et de leurs plateformes correspondantes. Ces dispositifs IoT utilisent les données réelles de leur environnement de déploiement et les envoient à la plateforme. Les données collectées par ces dispositifs sont souvent des informations sensibles. Par conséquent, la confidentialité des données des utilisateurs est l'une des principales préoccupations de l'IoT. En outre, les applications IoT reposent sur l'automatisation de tâches fréquentes pour une meilleure efficacité. Malheureusement, le transfert du contrôle d'opérations habituellement contrôlées par l'homme vers l'IoT risque de compromettre la sécurité des utilisateurs de l'IoT. Cette thèse traite des problèmes de confidentialité et de sécurité soulevés par l'IoT. Nous proposons des protocoles de sécurité qui préservent la confidentialité des données des utilisateurs. En plus de la confidentialité, nous voulons concevoir des solutions vérifiables qui garantissent l'exactitude des calculs effectués par les dispositifs IoT et la plateforme. Nous concevons ces solutions en nous concentrant sur leurs performances spécifiquement pour l'IoT. Plus précisément, nous proposons des protocoles qui sont évolutifs pour faire face au nombre croissant de dispositifs IoT. Nous considérons également des protocoles tolérants aux pannes pour faire face à la mobilité et aux abandons fréquents des dispositifs IoT. Nous nous concentrons sur deux protocoles de sécurité : l'agrégation sécurisée et l'attestation à distance. L'agrégation sécurisée est un protocole où un agrégateur calcule la somme des entrées privées d'un ensemble d'utilisateurs. Dans cette thèse, nous proposons le premier protocole d'agrégation sécurisée vérifiable (VSA) qui donne des garanties formelles de sécurité dans le modèle malveillant. Notre solution préserve la confidentialité des entrées de tous les utilisateurs et l'exactitude du résultat de l'agrégation. En outre, nous proposons un nouveau protocole d'agrégation sécurisée tolérant aux pannes (FTSA) basé sur le cryptage additif-homomorphe. Le schéma permet aux utilisateurs de l'agrégation sécurisée de se retirer du protocole et offre un mécanisme pour récupérer l'agrégat sans affecter la confidentialité des données. Nous montrons que le FTSA surpasse les solutions de l'état de l'art en termes d'évolutivité par rapport au nombre d'utilisateurs. D'autre part, un protocole d'attestation à distance est un protocole qui permet à un dispositif IoT (agissant en tant que prouveur) de prouver son intégrité logicielle à la plateforme IoT (agissant en tant que vérificateur). Nous proposons un nouveau protocole collaboratif d'attestation à distance (FADIA) dans lequel les dispositifs collectent des attestations les uns des autres et les agrègent. FADIA traite de l'hétérogénéité et de la nature dynamique de l'IoT en tenant compte de l'équité dans sa conception. L'évaluation de FADIA montre une augmentation de la durée de vie d'un réseau.
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tel-04116533 , version 1 (04-06-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04116533 , version 1

Cite

Mohamad Mansouri. Performance and Verifiability of IoT Security Protocols. Cryptography and Security [cs.CR]. Thèses de Sorbonne Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023SORUS065⟩. ⟨tel-04116533⟩
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