WO2014154813A1 - Procede et dispositif pour former un reseau sans fil securise a faibles ressources - Google Patents

Procede et dispositif pour former un reseau sans fil securise a faibles ressources Download PDF

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WO2014154813A1
WO2014154813A1 PCT/EP2014/056174 EP2014056174W WO2014154813A1 WO 2014154813 A1 WO2014154813 A1 WO 2014154813A1 EP 2014056174 W EP2014056174 W EP 2014056174W WO 2014154813 A1 WO2014154813 A1 WO 2014154813A1
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Alexis Olivereau
Nouha OUALHA
Christophe Janneteau
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the invention relates to the field of security in communication networks and in particular that of securing low-resource networks.
  • Low-resource networks consist of devices or nodes with low computing, memory and power capabilities, such as for example emerging networks with machine-to-machine communications, wireless sensor networks, and vehicular networks.
  • an initial node needs to communicate with a target node with which it does not previously share keys, it must look for a trusted path by collaborating network nodes that can share keys with the target node.
  • the initial node may also send a request to a local or remote server to have a common key with the target node.
  • KEMP Lightweight Key Establishment and Management Protocol in Dynamic Sensor Networks
  • the shared key is generated locally, while at the router, the key is transmitted by the server on a secure channel.
  • the initial node must re-execute a protocol (KEMP) for each neighboring node as if it were a new neighbor router.
  • KEMP a protocol
  • Known approaches while offering alternative solutions, are not a fast enough and efficient solution in terms of resources, node-level or bandwidth energy consumption, for the establishment of shared keys between several neighboring nodes in a low-resource network.
  • the solution of the present invention facilitates dynamic formation of a network of nodes with low resources while overcoming the drawbacks of a conventional approach.
  • An object of the present invention is to provide a method for forming a secure network for low resource nodes that do not have a prior trusted relationship with each other.
  • the formation of the network does not require a dedicated local security infrastructure and relies on a remote trusted entity.
  • Another object of the present invention is to enable authentication of a node and securing its access to a low-resource network by providing it, in a secure manner, all the necessary cryptographic material, in particular by providing it shared keys with neighboring nodes.
  • the present invention does not require the existence of a trust relationship between the administrative domain of the access network and that of the low-resource network.
  • the remote infrastructure access network may belong to a different administrative domain with no trusted relationship to the administrative domain to which the nodes forming the secure network belong.
  • the present invention allows the gradual addition of nodes by securing their access to the secured network formed.
  • the present invention makes it possible to reduce the number of messages exchanged for the establishment of security associations between neighboring nodes in a network with low resources.
  • the cryptographic material established between nodes belonging to the secure network is not disclosed to entities other than these, except the remote trusted entity that provides them. In particular, the entities of the remote infrastructure access network do not become aware of this cryptographic material.
  • the present invention allows a node to authenticate at once to the security infrastructure and simultaneously acquire shared keys with its neighboring nodes.
  • the present invention will be implemented in situations where devices of low resources need to create a secure network in a hostile environment or difficult to access.
  • the invention will find application for emergency services such as ambulance services, fire, police, civil security or humanitarian aid.
  • emergency services such as ambulance services, fire, police, civil security or humanitarian aid.
  • interventions in crisis contexts such as serious incidents, fires, acts of terrorism, which require the communication of intervention services to coordinate their actions and improve crisis management.
  • a secure network established between different services facilitates needs and impact assessments and provides information on access to goods, infrastructure, or populations. Communications between the various emergency services thus make it possible to optimize the allocation of financial, material and human resources and to increase the rapid response capabilities.
  • Network security is needed and can rely on a remote security infrastructure that emergency services access through a third-party access network, such as a cellular network.
  • a third-party access network such as a cellular network.
  • Another context where the present invention will advantageously find application is that of sensors / actuators deployed in a hostile environment. Actually, sensors or actuators can be deployed in hostile or difficult-to-access environments - battlefields, disaster or disaster support - to obtain vital information or control the environment. These devices must operate without human intervention.
  • the infrastructure of Dedicated security may not be integrated into their environment, and therefore these devices must rely on unreliable third-party infrastructures - cellular network, satellite network, foreign communication facilities - for the management of their security.
  • the invention allows such devices to self-organize to form a secure network.
  • the invention makes it possible to create security associations in a dynamic, fast and efficient manner between the devices forming the network and as nodes join the network.
  • a method for forming a secure wireless network between low resource nodes of the communication network comprises the steps of:
  • nKGS shared key generation key
  • the step of generating a list of neighboring nodes comprises the steps of:
  • the step of discovering neighboring nodes implements a node discovery protocol located at a jump on the same link.
  • the step of selecting neighboring nodes of interest consists in selecting neighboring nodes belonging to the same security authority.
  • the step of selecting neighboring nodes of interest consists in selecting neighboring nodes belonging to the same administrative domain.
  • the step of establishing a secure channel includes the steps of:
  • the authentication step implements an "Extensible Authentication Protocol" (EAP) authentication tocole.
  • the method comprises, before the step of receiving master session keys, a step for generating by the authentication entity a plurality of master session keys for each node of the list LV having itself the requesting node in its own LV list.
  • the key generation steps use a hash function to derive the keys.
  • the network of nodes is a "mobile ad hoc network" type network and is based on level 2 and / or level 3 communications.
  • the invention is implemented as a system for forming a secure wireless network between low-resource nodes of a communication network, and comprises means for implementing the steps of the described method.
  • a computer program product including code instructions performs the steps of the method described when the program is run on a computer.
  • FIG. 1 is a topological representation of an infrastructure of communication in which to advantageously implement the invention
  • Figure 2 shows the steps performed for authentication and access control of a node to the low resource network according to the method of the present invention
  • Figure 3 illustrates the prioritization of the keys of the requesting node and its neighbor nodes in an embodiment based on the EAP protocol
  • FIG. 4 shows the exchanges made between the nodes of a network and the authentication server in a preferential implementation of the invention
  • FIG. 5 illustrates the steps performed by the method of the present invention for successive arrivals of nodes to the secure network.
  • FIG. 1 illustrates an example of a communication infrastructure 100 in which to advantageously implement the invention.
  • a network 102 includes a plurality of nodes (104, 106) having low resources.
  • a node is a low-resource static or mobile communicating device that joins the low-resource network.
  • the network is a "mobile ad hoc network" or MANET network which is a wireless network able to organize without infrastructure defined beforehand.
  • Examples of low resource networks are sensors networks deployed in the industrial field or vehicular networks.
  • a number of nodes (106) wish to access a resource or service associated with a remote infrastructure.
  • the invention applies to the general context in which a group of nodes (106), mobile or static, want to form a secure wireless network.
  • the concerned nodes (106) connect to a network access infrastructure (108) via an access point (110) which may be a wifi terminal or a cellular antenna to communicate with a remote security entity ( 112).
  • the remote security entity (112) comprises at least one authentication server.
  • the authentication server (112) responsible for the authentication of the nodes, stores cryptographic data necessary for the authentication of each of the nodes of the group (106). As will be detailed later, each node, after its authentication, receives shared keys with its neighboring nodes that have authenticated. These keys are used to establish secure communications in the network thus formed.
  • the nodes of the low resource network access the remote security entity through a third party communication network (108) which may be a cellular network or the Internet.
  • the network access infrastructure (108) may contain intermediate entities such as routers (114) and / or intermediate servers (116).
  • FIG. 1 only shows a finite number of entities and connections, but the person skilled in the art will extend the principles described for the present invention.
  • the node network (102) may be based on level 2 (e.g., 802.15.4 or 802.11) and / or level 3 (e.g., IP) communications.
  • level 2 e.g., 802.15.4 or 802.11
  • level 3 e.g., IP
  • multicast or broadcast communication schemes can be used.
  • Figure 2 shows the steps performed for authentication and access control of a node arriving at the low resource network according to the method of the present invention.
  • the method begins (200) when an arriving node requests to join a low resource network.
  • a first step (202) is the discovery of neighboring nodes. This step allows a requesting node that joins the low-resource network to discover its neighbor nodes.
  • a protocol for discovering nodes on the same link at a hop is used.
  • Such a protocol is for example that described by T. Narten et al., In “Neighbor Discovery for IP Version 6 (IPv6)", IETF RFC 4861, September 2007.
  • a node can also discover its neighbors by relying for example on the receipt of announcement messages - for example a "Hello" message - sent periodically by them.
  • the discovery phase ends with the end of the neighbor node discovery protocol. Depending on the protocol used, the discovery phase may end, for example on the expiration of a timeout period (timeout).
  • timeout a timeout period
  • Step 202 allows selection by the requesting node of neighbor nodes of interest.
  • the requesting node possesses a list " ⁇ _ ⁇ " of the identities of the selected neighboring nodes.
  • the requesting node may choose as the selection criterion the membership of neighboring nodes to the same security authority. In another implementation variant, it can be based on the membership of the same administrative domain to select neighboring nodes of interest.
  • the selected identities may take the syntax of Network Access Identifier (NAI) in English as described in B. Aboba and M. Beadles, "The Network”. Access Identifier ", IETF RFC 2486, January, 1999.
  • NAI Network Access Identifier
  • the selection can be based on the" realm "domain part of the identities where the requesting node chooses neighboring nodes belonging to the same domain as its own.
  • the method proceeds to step 204 by end-to-end authentication.
  • This step allows the requesting node to authenticate to the remote entity to gain access to the low-resource network.
  • an "Extended Authentication Protocol” type protocol as described in the document by B. Aboba et al. "Extensible Authentication Protocol (EAP)", IETF RFC 3748, June 2004 is used.
  • Another example of an authentication protocol is the Authentication and Key Agreement (AKA) protocol used in 3GPP UMTS and LTE communications.
  • AKA Authentication and Key Agreement
  • nMSK Neighbor Key Generation Seed
  • the key nKGS is derived from the key known in English as "Extended Master Session Key” (EMSK) that is generated during authentication with the EAP protocol and shared only between the node and the authentication entity.
  • EMSK Extended Master Session Key
  • the requesting node sends to the remote entity the list of identities of the selected neighboring nodes through the secure end-to-end channel. It can also send additional information about its neighborhood, for example on the density or the quality of the transmission channel.
  • the remote entity Upon receipt of this list, the remote entity derives from the master key (nKGS) of each neighbor node that has added the requesting node to its own list "L v ", a master session key (nMSK) or "Neighbor” Master Session Key "in English.
  • nMSK session master key set is generated for all neighboring nodes having the requesting node in their Lv list.
  • the remote entity then sends the set of derived (nMSK) keys through the secure channel to the requesting node.
  • Each derived key will then be shared between the requesting node and the corresponding neighbor node.
  • the response message of the remote entity may also contain other keys, for example a group key and / or other information such as local network server identities.
  • the derived keys will be used in a next step 208 to establish security associations between the requesting node and the corresponding neighbor nodes based on the received keys (nMSK).
  • Figure 3 illustrates the prioritization of the keys of the requesting node and its neighbor nodes in an embodiment based on the EAP protocol.
  • an nKGS master key (306) is derived from the key EMSK (304) generated itself during authentication.
  • the master session keys (308-1, 308-2, ...) are then derived for each neighbor node identified in the "l_v" list of the requesting node and having itself accepted the requesting node in its own list.
  • FIG. 4 shows the exchanges made between the nodes of a network and the authentication server in a preferential implementation of the invention based on the EAP protocol.
  • the requesting node During the discovery phase of neighbor nodes (402), the requesting node generates (404) a list "L v >" containing the identities of the selected neighboring nodes. It then establishes an authentication process (406) with the remote authentication entity using the EAP authentication protocol. During authentication, an EMSK key is deduced according to the EAP protocol. On the basis of this EMSK key, an nKGS key generation key shared with neighboring nodes is derived (408).
  • a hash cryptographic function (H) is used to derive the master key according to the following function:
  • nKGSnode H (EMSK, "nMSK Generation Seed”)
  • the requesting node During its authentication, the requesting node establishes a secure channel (410) in confidentiality and integrity with the remote authentication entity. This channel is used to send the list L v of the identities of the selected neighboring nodes to the authentication server. Upon reception by the server of the list L v of the identities of the selected nodes, a plurality of session master keys is generated (412). The remote entity derives an nMSK master session key for each node in the list that has itself selected the requesting node in its own L v list. Each master session key is generated using the master key of generation of shared keys nKGS VO isin associated with this neighbor node (414).
  • a hash cryptographic function (H) and the Network Access Identifier (NAI) of the node are used according to the following function:
  • nMSK NA i H (nKGSvoisin, NAI) where the NAI identity of the node is the network access identifier of the node that authenticates to the network.
  • nKGS shared key generation key and nMSK session master key s using a hash function is provided as an example.
  • HKDF HMAC-based Extract-and-Expand Function Key Derivation
  • the resulting master session keys ⁇ nMSK s ⁇ are sent by the remote entity to the requesting node through the secure channel.
  • the requesting node uses the keys ⁇ nMSK s ⁇ received to establish security associations (416) with its neighbor nodes.
  • FIG. 5 illustrates on an example of three nodes (node 1, node 2, node 3) the steps performed by the method of the present invention for successive arrivals of the nodes to the secure network.
  • the invention allows a progressive formation of a secure network for neighboring nodes.
  • a first requesting node (node 1) initiates the process of discovering neighbor and authentication nodes with the remote entity by performing steps 202 to 208 as described with reference in Figure 2.
  • a node within range of the access point (110) authenticates first to the remote entity (112). After successful authentication, the requesting node responds (502) to discovery queries of neighboring nodes. The requesting node then relays the authentication requests received from the neighboring nodes and establishes (504) security associations with them. The neighboring nodes thus authenticated, perform the same operations as the first authenticated nodes, respectively the steps (506, 508) for the node 2, and (510, 512) for the node 3.
  • a requesting node receives a set of master session keys ⁇ nMSK s ⁇ from the remote entity during its authentication, and the neighboring nodes will locally derive their key (nMSK 2 , nMSK 3 , ...) based on each on their own master keys (nKGS- ⁇ , nKGS 2 , ).
  • the remote server may establish a priority protocol to choose to authenticate a node before its neighbor node or neighboring nodes.
  • a priority protocol to choose to authenticate a node before its neighbor node or neighboring nodes.
  • the present invention can be implemented from hardware and / or software elements. It may be available as a computer program product on a computer readable medium.
  • the support can be electronic, magnetic, optical, electromagnetic or be an infrared type of diffusion medium. Such media are for example, Random Access Memory RAMs, Read-Only Memory ROMs, tapes, floppies or disks. Magnetic or optical (Compact Disk - Read Only Memory (CD-ROM), Compact Disk - Read / Write (CD-R / W) and DVD).

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour former un réseau sans fil sécurisé pour des noeuds à faibles ressources n'ayant pas de relation préalable de confiance entre eux. Le procédé permet de générer pour un noeud demandeur une liste de noeuds voisins, puis d'établir un canal sécurisé entre le noeud demandeur et une entité d'authentification. Une association de sécurité est établie avec chaque noeud voisin à partir des clés de session maîtres partagées avec lesdits noeuds à faibles ressources voisins de ladite liste, lesdites clés de session maîtres étant reçues par le canal sécurisé.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR FORMER UN RESEAU SANS FIL SECURISE A FAIBLES RESSOURCES
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine de la sécurité dans les réseaux de communication et en particulier celui de la sécurisation de réseaux à faibles ressources.
Etat de la Technique
Les réseaux à faibles ressources sont constitués d'équipements ou nœuds possédant de faibles capacités de calcul, de mémoire et d'énergie, tels que par exemple les réseaux émergents avec des communications machine-à-machine, les réseaux de capteurs sans-fil, et les réseaux véhiculaires.
Les solutions de sécurité existantes pour les réseaux à faibles ressources se basent sur une approche proactive. La plupart d'entre elles supposent que les nœuds qui forment le réseau possèdent des clés partagées qui sont utilisées pour l'authentification au réseau et le contrôle d'accès. Ces clés sont soit manuellement préinstallées dans chaque nœud du réseau, soit il existe une infrastructure dédiée pour la gestion des clés ou des certificats.
Certaines solutions existantes fournissant la sécurité des communications dans les réseaux à faibles ressources utilisent des clés manuellement pré-distribuées aux nœuds.
D'autres solutions utilisent des clés de réseau communes à tous les nœuds, tel que décrit dans le document de B. Lai et al., "Scalable session key construction protocol for wireless sensor networks", IEEE Workshop on Large Scale Real-Time and Embedded Systems, 2002, ou dans celui de E. Y iksel et al., "ZigBee-2007 Security Essentials", In Proceedings of the 13rd Nordic Workshop on Secure IT-systems (NordSec 2008), pages 65-82, 2008. Cette approche rend cependant les réseaux vulnérables à la compromission de clés. Par ailleurs, partager des clés avec chacun des nœuds du réseau est coûteux en termes de consommation en mémoire et n'offre pas une solution extensible. Aussi, généralement un nœud partage des clés avec seulement une partie des nœuds du réseau, souvent choisis aléatoirement.
Ainsi, certaines solutions utilisent des clés partagées entre des paires de nœuds, tel que décrit dans le document de D. W. Carman, "New Directions in Sensor Network Key Management", International Journal of Distributed Sensor Networks, Vol. 1 , No.1 , pp. 3-15, 2005, ou celui de F. Delgosha et al., " MKPS: a multivariate polynomial scheme for symmetric key-establishment in distributed sensor networks", The ACM Int'l Wireless Communications and Mobile Computing Conférence, 2007, ou encore celui de A. Gupta and J. Kuri, "Deterministic schemes for key distribution in wireless sensor networks", In Proceedings of the Third International Conférence on Communication Systems Software and Middleware and Workshops, IEEE Computer Society, 2008.
Cependant, si un nœud initial a besoin de communiquer avec un nœud cible avec qui il ne partage pas de clés au préalable, il doit rechercher un chemin de confiance en faisant collaborer des nœuds du réseau qui peuvent partager des clés avec le nœud cible. Le nœud initial peut aussi envoyer une requête à un serveur local ou distant pour avoir une clé commune avec le nœud cible. Cette approche est décrite dans le document de Y.Qiu et al. "Lightweight Key Establishment and Management Protocol in Dynamic Sensor Networks (KEMP)". IETF Internet- Draft draft-qiu-roll-kemp-01 , March 12, 2012. Dans cette solution, le nœud initial ne peut partager une clé qu'avec un seul nœud à la fois. Cette approche permet l'authentification d'un nœud à son routeur voisin via son serveur d'authentification, ainsi que la distribution d'une clé commune pour servir au contrôle d'accès. Au niveau du nœud, la clé partagée est générée localement, alors qu'au niveau du routeur, la clé est transmise par le serveur sur un canal sécurisé. Pour établir des associations de sécurité avec d'autres nœuds voisins, le nœud initial doit ré-exécuter un protocole (KEMP) pour chaque nœud voisin comme s'il s'agissait d'un nouveau routeur voisin. Les approches connues bien qu'offrant des solutions alternatives, ne constituent pas une solution suffisamment rapide et efficace en termes de ressources, de consommation d'énergie au niveau des nœuds ou de bande passante, pour l'établissement de clés partagées entre plusieurs nœuds voisins dans un réseau à faibles ressources.
L'invention proposée dans le présent document permet de répondre à ces besoins.
La solution de la présente invention facilite une formation dynamique d'un réseau de nœuds à faibles ressources tout en palliant aux inconvénients d'une approche classique.
Résumé de l'invention
Un objet de la présente invention est de fournir un procédé pour former un réseau sécurisé pour des nœuds à faibles ressources n'ayant pas de relation préalable de confiance entre eux.
Avantageusement, la formation du réseau ne nécessite pas une infrastructure de sécurité locale dédiée et s'appuie sur une entité de confiance distante.
Un autre objet de la présente invention est de permettre l'authentification d'un nœud et la sécurisation de son accès à un réseau à faibles ressources en lui fournissant, d'une manière sécurisée, tout le matériel cryptographique nécessaire, en particulier en lui fournissant des clés partagées avec ses nœuds voisins. Avantageusement, la présente invention ne requière pas l'existence d'une relation de confiance entre le domaine administratif du réseau d'accès et celui du réseau à faibles ressources. Le réseau d'accès à l'infrastructure distante peut appartenir à un domaine administratif différent et sans relation de confiance avec le domaine administratif auquel appartiennent les nœuds qui forment le réseau sécurisé.
Toujours avantageusement, la présente invention permet l'ajout progressif de nœuds en sécurisant leur accès au réseau sécurisé formé. Avantageusement, la présente invention permet une réduction du nombre de messages échangés pour l'établissement d'associations de sécurité entre des nœuds voisins dans un réseau à faibles ressources. Le matériel cryptographique établi entre des nœuds appartenant au réseau sécurisé n'est pas divulgué à d'autres entités que ceux-ci, hormis l'entité de confiance distante qui le leur fournit. En particulier, les entités du réseau d'accès à l'infrastructure distante ne prennent pas connaissance de ce matériel cryptographique.
Toujours avantageusement, la présente invention permet à un nœud de s'authentifier en une fois à l'infrastructure de sécurité et d'acquérir en même temps des clés partagées avec ses nœuds voisins. Avantageusement, la présente invention s'implémentera dans les situations où des dispositifs de faibles ressources ont besoin de créer un réseau sécurisé dans un environnement hostile ou difficile d'accès.
Ainsi, l'invention trouvera application pour les interventions des services d'urgence tels que les services d'ambulances, de pompiers, de police, de sécurité civile ou encore d'aides humanitaires. En particulier, des interventions dans des contextes de crise, comme des incidents graves, des incendies, des actes de terrorisme, qui nécessitent de mettre en communication les dispositifs des services d'intervention afin de coordonner leurs actions et améliorer la gestion de crise.
Un réseau sécurisé ainsi établi entre les différents services permet de faciliter les évaluations en matière de besoins et d'impacts et de fournir des informations concernant l'accès aux biens, infrastructures, ou populations. Les communications entre les différents services d'urgence permettent ainsi d'optimiser l'allocation des ressources financières, matérielles et humaines et d'augmenter les capacités de réaction rapide. La sécurité du réseau est nécessaire et peut se reposer sur une infrastructure de sécurité distante à laquelle les services d'urgence accèdent au travers d'un réseau d'accès tierce, par exemple un réseau cellulaire. Un autre contexte où la présente invention trouvera avantageusement application est celui des capteurs/actionneurs déployés dans un environnement hostile. En effet, des capteurs ou actionneurs peuvent être déployés dans un environnement hostile ou difficile d'accès - champs de bataille, aides en cas de sinistres ou catastrophes - afin d'obtenir des renseignements vitaux ou contrôler l'environnement. Ces dispositifs doivent opérer sans intervention humaine. Or l'infrastructure de sécurité dédiée peut ne pas être intégrée dans leur environnement, et donc ces dispositifs doivent s'appuyer sur des infrastructures tierces non fiables - réseau cellulaire, réseau satellitaire, installations de communication étrangères - pour la gestion de leur sécurité. Ainsi, l'invention permet à de tels dispositifs de s'auto-organiser pour former un réseau sécurisé.
Avantageusement, dans ses applications, l'invention permet de créer des associations de sécurité d'une manière dynamique, rapide et efficace entre les dispositifs formants le réseau et au fur à mesure que des nœuds rejoignent le réseau.
Pour obtenir les résultats recherchés, un procédé, un dispositif et un produit programme d'ordinateur sont proposés.
En particulier, dans un réseau de communication comprenant une pluralité de nœuds, un procédé pour former un réseau sécurisé sans fil entre des nœuds à faibles ressources du réseau de communication, le procédé comprend les étapes de :
- générer pour un nœud demandeur parmi les nœuds à faibles ressources, une liste LV de nœuds à faibles ressources voisins, la liste comprenant les identités desdits nœuds à faibles ressources voisins du nœud demandeur ;
- établir un canal sécurisé entre le nœud demandeur et une entité d'authentification, en générant une clé maître de génération de clés partagées (nKGS) pour le nœud demandeur;
- envoyer par le canal sécurisé à l'entité d'authentification, la liste des identités des nœuds à faibles ressources voisins ;
- recevoir par le canal sécurisé de l'entité d'authentification des clés de session maître (nMSKs) partagées avec les nœuds à faibles ressources voisins de ladite liste ; et - établir une association de sécurité avec chaque nœud à faibles ressources voisin, chaque association de sécurité étant établie à partir de la clé de session maître correspondante au nœud à faibles ressources voisin.
Dans un mode de réalisation, l'étape de génération d'une liste de nœuds voisins comprend les étapes de:
- découvrir les nœuds voisins du nœud demandeur ; et
- sélectionner une liste de nœuds voisins d'intérêt parmi les nœuds voisins découverts.
Avantageusement, l'étape de découverte de noeuds voisins met en œuvre un protocole de découverte de nœuds situé à un saut sur un même lien.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape de sélection de nœuds voisins d'intérêt consiste à sélectionner les nœuds voisins appartenant à la même autorité de sécurité.
Dans une variante, l'étape de sélection de nœuds voisins d'intérêt consiste à sélectionner les nœuds voisins appartenant au même domaine administratif.
Dans une mode de réalisation, l'étape d'établissement d'un canal sécurisé comprend les étapes de :
- s'authentifier auprès de l'entité d'authentification ; et
- générer une clé maître de génération de clés partagées avec les nœuds voisins.
Avantageusement, l'étape d'authentification met en œuvre un tocole d'authentification « Extensible Authentication Protocol » (EAP). Dans un mode de réalisation, le procédé comprend avant l'étape de recevoir des clés de session maître, une étape pour générer par l'entité d'authentification une pluralité de clés de session maître pour chaque nœud de la liste LV ayant lui-même le nœud demandeur dans sa propre liste LV.
Avantageusement, les étapes de génération de clés utilisent une fonction de hachage pour dériver les clés. Dans une implémentation préférentielle, le réseau de nœuds est un réseau de type « Mobile ad hoc network » et est basé sur des communications de niveau 2 et/ou de niveau 3.
Avantageusement, l'invention s'implémente comme un système pour former un réseau sécurisé sans fil entre des nœuds à faibles ressources d'un réseau de communication, et comprend des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé décrit.
Un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code permet d'effectuer les étapes du procédé décrit lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.
Description des figures
Différents aspects et avantages de l'invention vont apparaître en appui de la description d'un mode préféré d'implémentation de l'invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :
La figure 1 est une représentation topologique d'une infrastructure de communication dans laquelle implémenter avantageusement l'invention ;
La figure 2 montre les étapes opérées pour l'authentification et le contrôle d'accès d'un nœud au réseau à faibles ressources selon le procédé de la présente invention;
La figure 3 illustre la hiérarchisation des clés du nœud demandeur et de ses nœuds voisins dans un mode de réalisation basé sur le protocole EAP ;
La figure 4 montre les échanges réalisés entre les nœuds d'un réseau et le serveur d'authentification dans une implémentation préférentielle de l'invention;
La figure 5 illustre les étapes opérées par le procédé de la présente invention pour des arrivées successives de nœuds au réseau sécurisé.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 illustre un exemple d'une infrastructure de communication 100 dans laquelle implémenter avantageusement l'invention. Un réseau 102 comprend une pluralité de nœuds (104, 106) ayant des faibles ressources.
Dans le contexte de l'invention, un nœud est un dispositif communicant statique ou mobile à faibles ressources qui joint le réseau à faibles ressources.
Dans une implémentation préférentielle, le réseau est un réseau de type « Mobile ad hoc network » ou MANET qui est un réseau sans fil capable de s'organiser sans infrastructure définie préalablement. Des exemples de réseaux de faibles ressources sont des réseaux de capteurs déployés dans le domaine industriel ou des réseaux véhiculaires.
Au sein du réseau, un certain nombre de nœuds (106) souhaitent accéder à une ressource ou un service, associés à une infrastructure distante. Ainsi, l'invention s'applique au contexte général dans lequel un groupe de nœuds (106), mobiles ou statiques, veulent former un réseau sécurisé sans fil. Dans ce contexte, les nœuds concernés (106) se connectent à une infrastructure d'accès réseau (108) via un point d'accès (110) qui peut être une borne wifi ou une antenne cellulaire pour communiquer avec une entité de sécurité distante (112). Dans une implémentation préférentielle, l'entité de sécurité distante (112) comprend au moins un serveur d'authentification.
Le serveur d'authentification (112), responsable de l'authentification des nœuds, stocke des données cryptographiques nécessaires pour l'authentification de chacun des nœuds du groupe (106). Comme il sera détaillé plus loin, chaque nœud, après son authentification, reçoit des clés partagées avec ses nœuds voisins qui se sont authentifiés. Ces clés sont utilisées pour établir des communications sécurisées dans le réseau ainsi formé.
Les nœuds du réseau à faibles ressources accèdent à l'entité de sécurité distante au travers d'un réseau de communication tierce (108) qui peut être un réseau cellulaire ou le réseau Internet. L'infrastructure d'accès réseau (108) peut contenir des entités intermédiaires telles que des routeurs (114) et/ou des serveurs intermédiaires (116).
Pour des raisons de simplicité de description et non de limitation de l'invention, l'exemple de la figure 1 ne montre qu'un nombre fini d'entités et de connexions, mais l'homme du métier étendra les principes décrits pour la présente invention à une pluralité et une variété de nœuds et de type de serveurs, passerelle ou connexions (sans fil, mobile, très haut débit). Le réseau de nœuds (102) peut être basé sur des communications de niveau 2 (par exemple, 802.15.4 ou 802.11 ) et/ou de niveau 3 (par exemple, IP). Suivant les protocoles sur lesquels il s'appuie, des schémas de communications multicast ou broadcast peuvent y être employés.
La figure 2 montre les étapes opérées pour l'authentification et le contrôle d'accès d'un nœud arrivant au réseau à faibles ressources selon le procédé de la présente invention. Le procédé débute (200) quand un nœud arrivant demande à rejoindre un réseau à faibles ressources.
Une première étape (202) consiste en la découverte des nœuds voisins. Cette étape permet à un nœud demandeur qui rejoint le réseau à faibles ressources de découvrir ses nœuds voisins.
Dans une implémentation préférentielle, un protocole qui permet de découvrir les nœuds sur le même lien à un saut est utilisé. Un tel protocole est par exemple celui décrit par T. Narten et al., dans "Neighbor Discovery for IP version 6 (IPv6)", IETF RFC 4861 , September 2007.
D'autres approches simples avec inondation, connues selon l'anglicisme « request flooding schemes » avec un certain nombre de sauts fixé peuvent être aussi utilisées pour découvrir les nœuds voisins à plusieurs sauts.
De manière alternative ou complémentaire, un nœud peut aussi découvrir ses voisins en s'appuyant par exemple sur la réception de messages d'annonce - par exemple un « Hello » message - envoyés périodiquement par ces derniers.
La phase de découverte se termine avec la fin du protocole de découverte de nœuds voisins. Selon le protocole utilisé, la phase de découverte peut se terminer, par exemple sur l'expiration d'un délai de temps d'attente (timeout).
L'étape 202 permet la sélection par le nœud demandeur de nœuds voisins d'intérêt. A l'issue de cette phase, le nœud demandeur possède une liste « Ι_ν » des identités des nœuds voisins sélectionnés.
Le nœud demandeur peut choisir comme critère de sélection l'appartenance des nœuds voisins à la même autorité de sécurité. Dans une autre variante d'implémentation, il peut se baser sur l'appartenance au même domaine administratif pour sélectionner les nœuds voisins d'intérêt.
Dans un mode de réalisation particulier, les identités sélectionnées peuvent prendre la syntaxe d'identifiants d'accès au réseau « Network Access Identifier (NAI) » en anglais tels que décrits dans le document de B. Aboba and M. Beadles, « The Network Access Identifier », IETF RFC 2486, January, 1999. Dans ce cas-ci, la sélection peut se baser sur la partie domaine « realm » des identités où le nœud demandeur choisit les nœuds voisins appartenant au même domaine que le sien.
Le procédé poursuit à l'étape 204 par une authentification de bout- en-bout. Cette étape permet au nœud demandeur de s'authentifier à l'entité distante pour avoir accès au réseau à faibles ressources. Dans une implémentation préférentielle, un protocole de type « Protocole d'Authentification Etendu » tel que décrit dans le document de B. Aboba et al. "Extensible Authentication Protocol (EAP)", IETF RFC 3748, June 2004 est utilisé. Un autre exemple de protocole d'authentification est le protocole AKA (Authentication and Key Agreement) utilisé dans les communications 3GPP UMTS et LTE.
Au cours de cette étape, un canal sécurisé est établi entre le nœud demandeur et l'entité distante. Le canal partagé est notamment protégé en confidentialité et en intégrité. Le canal sécurisé permet au nœud demandeur et à l'entité distante de partager une clé commune. Cette clé est communément appelée en anglais « Neighbor Key Génération Seed » (nKGS). Comme il sera décrit plus loin, ce canal sécurisé permet de transmettre les clés partagées avec les voisins, appelées nMSK.
Dans une implémentation préférentielle, si le protocole d'authentification utilisé est (EAP), la clé nKGS est dérivée à partir de la clé connue en anglais par « Extended Master Session Key » (EMSK) qui est générée lors de l'authentification avec le protocole EAP et partagée seulement entre le nœud et l'entité d'authentification.
A l'étape suivante (206), le nœud demandeur envoie à l'entité distante la liste des identités des nœuds voisins sélectionnés à travers le canal sécurisé de bout-en-bout. Il peut aussi en complément envoyer d'autres informations sur son voisinage, par exemple sur la densité ou la qualité du canal de transmission.
A réception de cette liste, l'entité distante dérive à partir de la clé maître (nKGS) de chaque nœud voisin qui a ajouté le nœud demandeur à sa propre liste « Lv », une clé de session maître (nMSK) ou « Neighbor Master Session Key» en anglais. Un ensemble de clés maître de session nMSK est généré pour l'ensemble des nœuds voisins ayant le nœud demandeur dans leur liste Lv.
L'entité distante envoie ensuite l'ensemble des clés (nMSK) dérivées à travers le canal sécurisé vers le nœud demandeur. Chaque clé dérivée va ensuite être partagée entre le nœud demandeur et le nœud voisin correspondant.
Le message de réponse de l'entité distante peut aussi contenir d'autres clés, par exemple une clé de groupe et/ou d'autres informations comme par exemple les identités des serveurs réseau locaux.
Les clés dérivées vont servir dans une étape suivante 208 à établir des associations de sécurité entre le nœud demandeur et les nœuds voisins correspondants en se basant sur les clés (nMSK) reçues.
La figure 3 illustre la hiérarchisation des clés du nœud demandeur et de ses nœuds voisins dans un mode de réalisation basé sur le protocole EAP. Après une authentification (302) réussie auprès d'une entité distante, une clé maître nKGS (306) est dérivée de la clé EMSK (304) générée elle-même lors de l'authentification. Les clés de session maîtres (308-1 , 308-2, ...) sont ensuite dérivées pour chaque nœud voisin identifié dans la liste « l_v » du n ud demandeur et ayant lui-même accepté le nœud demandeur dans sa propre liste.
La figure 4 montre les échanges réalisés entre les nœuds d'un réseau et le serveur d'authentification dans une implémentation préférentielle de l'invention basée sur le protocole EAP.
Durant la phase de découverte des nœuds voisins (402), le nœud demandeur génère (404) une liste « Lv >, contenant les identités des nœuds voisins sélectionnés. Il établit ensuite un processus d'authentification (406) avec l'entité d'authentification distante en utilisant le protocole d'authentification EAP. Lors de l'authentification, une clé EMSK est déduite selon le protocole EAP. Sur la base de cette clé EMSK, une clé maître nKGS de génération de clés partagées avec les nœuds voisins est dérivée (408).
Dans un mode de réalisation, une fonction cryptographique de hachage (H) est utilisée pour dériver la clé maître selon la fonction suivante :
nKGSnœud = H (EMSK, "nMSK Génération Seed")
Durant son authentification, le nœud demandeur établit un canal sécurisé (410) en confidentialité et intégrité avec l'entité d'authentification distante. Ce canal est utilisé pour envoyer la liste Lv des identités des nœuds voisins sélectionnés vers le serveur d'authentification. A réception par le serveur de la liste Lv des identités des nœuds sélectionnés, une pluralité de clés maître de session est générée (412). L'entité distante dérive une clé de session maître nMSK pour chaque nœud de la liste qui a lui-même sélectionné le nœud demandeur dans sa propre liste Lv. Chaque clé de session maître est générée en utilisant la clé maître de génération de clés partagées nKGSVOisin associé à ce nœud voisin (414).
Dans un mode de réalisation, pour dériver une clé de session maître nMSK pour un nœud de la liste, une fonction cryptographique de hachage (H) et l'identité (NAI) « Network Access Identifier » du nœud sont utilisées selon la fonction suivante :
nMSKNAi = H (nKGSvoisin, NAI) où l'identité NAI du nœud est l'identifiant d'accès au réseau du nœud qui s'authentifie au réseau.
La dérivation des clés maître de génération de clés partagées nKGS et clés maître de session nMSKs au moyen d'une fonction de hachage sont fournis à titre d'exemple. L'homme de l'art comprendra que toute autre fonction de dérivation de clé, telle que celle décrite dans la RFC 5869 "HMAC-based Extract-and-Expand Key Dérivation Function (HKDF)" peut être utilisée à cet effet.
Les clés de session maître {nMSKs} ainsi dérivées sont envoyées par l'entité distante au nœud demandeur à travers le canal sécurisé.
Le nœud demandeur utilise les clés {nMSKs} reçues pour établir des associations de sécurité (416) avec ses nœuds voisins.
La figure 5 illustre sur un exemple de trois nœuds (nœud 1 , nœud 2, nœud 3) les étapes opérées par le procédé de la présente invention pour des arrivées successives des nœuds au réseau sécurisé. Comme décrit précédemment, l'invention permet une formation progressive d'un réseau sécurisé pour des nœuds voisins.
Un premier nœud demandeur (nœud 1 ) initie le processus de découverte de nœuds voisins et d'authentification auprès de l'entité distante en opérant les étapes 202 à 208 telles que décrites en référence à la figure 2.
Dans une implémentation préférentielle, un nœud situé à la portée du point d'accès (110) s'authentifie en premier à l'entité distante (112). Après une authentification réussie, le nœud demandeur répond (502) à des requêtes de découverte des nœuds qui lui sont voisins. Le nœud demandeur relaie ensuite les requêtes d'authentification reçues des nœuds voisins et établit (504) des associations de sécurité avec eux. Les nœuds voisins ainsi authentifiés, réalisent les mêmes opérations que les premiers nœuds authentifiés, respectivement les étapes (506, 508) pour le nœud 2, et (510, 512) pour le nœud 3.
Ainsi, un nœud demandeur reçoit un ensemble de clés de session maître {nMSKs} de l'entité distante lors de son authentification, et les nœuds voisins vont dériver localement leur clé (nMSK2, nMSK3, ...) en se basant chacun sur leurs propres clés maîtres (nKGS-ι , nKGS2, ...).
Dans certaines situations où plusieurs nœuds envoient leurs requêtes d'authentification simultanément, le serveur distant peut établir un protocole de priorité pour choisir d'authentifier un nœud avant son nœud voisin ou ses nœuds voisins. L'homme de l'art appréciera que des variations peuvent être apportées sur la méthode telle que décrite de manière préférentielle, tout en maintenant les principes de l'invention. Ainsi, les exemples décrits sont basés sur un protocole préférentiel mais il est possible d'utiliser d'autres protocoles d'authentification.
La présente invention peut s'implémenter à partir d'éléments matériel et/ou logiciel. Elle peut être disponible en tant que produit programme d'ordinateur sur un support lisible par ordinateur. Le support peut être électronique, magnétique, optique, électromagnétique ou être un support de diffusion de type infrarouge. De tells supports sont par exemple, des mémoires à semi-conducteur (Random Access Memory RAM, Read-Only Memory ROM), des bandes, des disquettes ou disques magnétiques ou optiques (Compact Disk - Read Only Memory (CD- ROM), Compact Disk - Read/Write (CD-R/W) and DVD).

Claims

Revendications
Dans un réseau de communication comprenant une pluralité de nœuds, un procédé pour former un réseau sécurisé sans fil entre des nœuds à faibles ressources du réseau de communication, le procédé comprenant les étapes de :
- générer (404) pour un nœud demandeur parmi les nœuds à faibles ressources, une liste Lv de nœuds à faibles ressources voisins, la liste comprenant les identités desdits nœuds à faibles ressources voisins du nœud demandeur ;
- établir (410) un canal sécurisé entre le nœud demandeur et une entité d'authentification, en générant une clé maître de génération de clés partagées (nKGS) pour le nœud demandeur;
- envoyer (411 ) par le canal sécurisé à l'entité d'authentification, la liste des identités des nœuds à faibles ressources voisins ;
- recevoir (413) par le canal sécurisé de l'entité d'authentification des clés de session maître (nMSKs) partagées avec les nœuds à faibles ressources voisins de ladite liste ; et
- établir (414, 416) une association de sécurité avec chaque nœud à faibles ressources voisin, chaque association de sécurité étant établie à partir de la clé de session maître correspondante au nœud à faibles ressources voisin.
2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape de génération d'une liste de nœuds voisins comprend les étapes de:
- découvrir (402) les nœuds voisins du nœud demandeur ; et
- sélectionner (404) une liste de nœuds voisins d'intérêt parmi les nœuds voisins découverts.
Le procédé selon la revendication 2 dans lequel l'étape de découverte (402) met en œuvre un protocole de découverte de nœuds situé à un saut sur un même lien.
Le procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel l'étape de sélection (404) de nœuds voisins d'intérêt consiste à
sélectionner les nœuds voisins appartenant à la même autorité de sécurité.
Le procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel l'étape de sélection (404) de nœuds voisins d'intérêt consiste à
sélectionner les nœuds voisins appartenant au même domaine administratif.
Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l'étape (410) d'établissement d'un canal sécurisé comprend les étapes de :
- s'authentifier (406) auprès de l'entité d'authentification ; et
- générer (408) une clé maître de génération de clés partagées avec les nœuds voisins.
7. Le procédé selon la revendication 6 dans lequel l'étape
d'authentification met en œuvre un protocole d'authentification « Extensible Authentication Protocol » (EAP).
8. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant de plus avant l'étape (413) de recevoir des clés de session maître, l'étape (412) de générer par l'entité
d'authentification une pluralité de clés de session maître pour chaque nœud de la liste Lv ayant lui-même le nœud
demandeur dans sa propre liste Lv.
9. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 dans lequel les étapes (408, 412) de génération de clés utilisent une fonction de hachage pour dériver les clés.
10. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel le réseau de nœuds est un réseau de type « Mobile ad hoc network » et est basé sur des communications de niveau 2 et/ou de niveau 3.
1 1 . Un système pour former un réseau sécurisé sans fil entre des nœuds à faibles ressources d'un réseau de communication, le système comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Un produit programme d'ordinateur, ledit programme
d'ordinateur comprenant des instructions de code permettant d'effectuer les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
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