Badra, Mohamad (2004) Le transport et la sécurisation des échanges sur les réseaux sans fil. PhD thesis Informatique et Réseaux, ENST - INFRES Informatique et Réseaux, ENST.

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Abstract

La convergence des réseaux fixes et des réseaux mobiles est une réalité. Les couvertures de ces réseaux sont de plus en plus confondues. Leur intégration dans une architecture commune est une priorité pour les opérateurs et fournisseurs de services. Cela afin de mieux répondre aux problématiques introduites par cette convergence en termes d'interopérabilité, de performance, de qualité de service, de sécurité, d'exploitation et également de réactivité liée au déploiement de nouveaux services.
Concernant la sécurité, beaucoup de travaux et d'efforts ont été consentis ces dernières années afin d'aboutir à des solutions immédiates pour sécuriser les échanges dans les réseaux fixes. Ces solutions, telles que TLS (Transport Layer Security) et IPSec ont été ainsi conçues dans un contexte où les équipements et les entités sont fixes, elles sont opérationnelles à grande échelle.
Malgré leur diversité, ces solutions sont encore limitées, génériques et répondent insuffisamment aux besoins spécifiques des applications de communication dans les environnements mobiles. Nous avons donc opté pour des solutions d'adaptation qui permettent d'adapter les mécanismes de sécurité conçus au départ pour les réseaux fixes aux réseaux mobiles. Ce choix est appuyé par deux raisons principales. La première est que les réseaux sans fil sont opérationnels et reliés de plus en plus aux réseaux fixes et la seconde réside dans le fait que la réutilisation de ces solutions nous permet de réduire leurs coûts d'exploitation. Notre contribution dans cette thèse est donc de faire avancer les solutions de la sécurisation des échanges sans fil tout en prenant en compte les contraintes précédemment citées.
Notre travail de recherche est structuré en quatre parties :
La première partie traite de TLS, de ses performances et de sa charge protocolaire. Dans le but d'étudier son adéquation aux réseaux mobiles, nous expérimentons TLS avec les réseaux GSM, en utilisant la pile protocolaire WAP, et avec les réseaux 802.11 sans fil. Les résultats de cette étude nous amènent à proposer des extensions plus performantes et plus appropriées que les mécanismes standard définis dans WAP et les réseaux 802.11 sans fil.
La deuxième partie est une contribution qui consiste à l'extension et l'enrichissement de TLS pour répondre à des besoins de sécurité dans le contexte du sans fil. Nous avons ainsi proposé de nouvelles architectures pour la convergence avec les réseaux fixes.
Dans la troisième partie, nous proposons d'enrichir la sécurité dans les réseaux WLAN en fournissant des services additionnels comme l'anonymat des échanges, la protection d'identité et la protection contre certains types d'attaques (passives, par dictionnaires, etc.). Nous définissons un mécanisme basé sur l'utilisation d'une clé partagée et de TLS. Cette contribution consiste à ajouter une extension sur le premier message du client TLS tout en respectant la norme "TLS extensions". Ce mécanisme ne nécessite pas l'utilisation des certificats et des PKIs pour l'authentification; il est mieux adapté pour certains réseaux sans fil et à petite échelle où les clients sont pré configurés ou personnalisés. Nous terminons cette partie en présentant une implantation de EAP-TLS couplée avec une carte à puce.
La dernière partie consiste essentiellement à intégrer les différentes contributions. Ceci pour mettre en exergue une méthode d'authentification couplant "architecture" et "secret partagé". Nous montrons ainsi comment, avec une telle approche, nous dérivons des services de sécurité non supportés jusqu'à présent par TLS tels que le PFS et la protection de l'identité.

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Table of content

Remerciements - v
Résumé - vii
Abstract - ix
Liste des figures - xvii
Liste des tableaux - xix
Introduction - 1
Partie I: Le protocole TLS dans les réseaux sans fil - 9
1 Le protocole TLS (Transport Layer Security) - 11
1.1 Introduction - 11
1.2 Une vue générale de TLS - 12
1.3 Pourquoi le protocole TLS ? - 12
1.4 Les sous protocoles de TLS - 13
1.4.1 Variables d'états d'une session TLS - 14
1.4.2 La phase Handshake - 14
1.4.2.1 La reprise d'une session établie - 17
1.4.2.2 Dérivation de clés - 17
1.4.2.2.1 La fonction PRF - 17
1.5 Utilisation de TLS dans différents contextes - 18
1.5.1 TLS avec UDP - 18
1.5.2 TLS avec EAP - 19
1.5.3 TLS et l'interconnexion entre 802.11 sans fil et 3GPP - 19
1.6 Avantages et limitations du protocole TLS - 19
1.6.1 Les attaques - 20
1.6.1.1 Les attaques sur les algorithmes cryptographiques utilisés par TLS - 20
1.6.1.1.1 Complexité des algorithmes d'échange de clés - 20
1.6.1.1.2 Complexité des algorithmes symétriques - 20
1.6.1.1.3 Complexité des fonctions de hachage - 20
1.7 Performances du protocole TLS - 21
1.8 Conclusion - 23
2 TLS dans la pile protocolaire WAP - 25
2.1 Introduction - 25
2.2 La pile WAP - 26
2.2.1 Les différents composants de l'architecture WAP - 27
2.2.1.1 Le serveur d'application - 27
2.2.1.2 Client WAP - 27
2.2.1.3 La passerelle WAP - 28
2.2.2 Cycle de vie d'une session WAP - 29
2.3 La sécurité dans WAP - 30
2.3.1 A propos de WIM - 31
2.3.2 Gestion des connexions WTLS - 32
2.3.3 Services assurés par WTLS - 32
2.3.4 Fiabilité du "Handshake" sur les services non connectés - 32
2.4 Convergence entre WTLS et TLS - 33
2.5 Divergence entre WTLS et TLS - 33
2.6 La charge cryptographique de TLS et WTLS - 34
2.7 Conclusion - 36
3 TLS dans les réseaux 802.11 sans fil - 37
3.1 Introduction - 37
3.2 La norme 802.11 - 38
3.2.1 La topologie du réseau 802.11 sans fil - 38
3.2.2 Le mode Infrastructure - 39
3.2.3 Le mode ad hoc - 39
3.2.4 La sécurité dans les réseaux 802.11 sans fil - 39
3.2.4.1 Le protocole WEP - 40
3.2.4.2 Quelques vulnérabilités du WEP - 41
3.2.4.3 Les perspectives du WEP - 42
3.3 Le protocole IEEE 802.1X - 42
3.3.1 Les méthodes d'authentification de 802.1X - 44
3.3.1.1 EAP-TLS - 45
3.3.1.2 EAP-TTLS - 47
3.3.1.3 PEAP - 48
3.3.2 Le serveur d'authentification RADIUS - 49
3.3.2.1 Scénario d'une session d'authentification EAP avec RADIUS - 49
3.3.3 Les risques avec l'authentification 802.1X - 50
3.3.3.1 Une authentification à sens unique - 50
3.3.3.1.1 L'attaque "Man-In-The-Middle" - 50
3.3.3.1.2 Le détournement des sessions - 51
3.3.3.1.3 L'attaque "Denial-of-Service" - 51
3.3.4 Les perspectives de 802.1X - 52
3.4 Le protocole 802.11i - 52
3.4.1 Protocoles de sécurité radio - 53
3.4.1.1 TKIP (Temporary Key Integrity Protocol) - 53
3.4.1.2 CCMP (Counter-Mode/CBC-MAC) - 53
3.4.2 Eléments d'information - 54
3.4.3 Distribution de clés - 54
3.5 IPSec et WiFi - 55
3.5.1 IPSec/VPN remplace-t-il 802.1X ? - 56
3.6 Conclusion - 57
Partie II: La sécurisation des échanges WAP - 59
4 Solutions de sécurité pour WAP basées sur TLS - 61
4.1 Introduction - 61
4.2 La sécurité au niveau de la couche applicatif du WAP - 61
4.2.1 La couche d'application et la bibliothèque crypto WMLScript - 62
4.2.1.1 La fonction EncryptText - 62
4.2.1.2 La fonction SignText - 62
4.2.1.2.1 Format de données signées - SignedContent - 62
4.2.1.2.2 Détail de la fonction SignText - 63
4.2.1.3 La fonction Verify - 64
4.2.1.4 Le passage de SignedContent à PKCS#7 - 64
4.2.2 Implémentation de l'application de téléchargement des fichiers signés - 66
4.2.2.1 Implémentation sur le serveur - 66
4.2.2.2 Implémentation dans les mobiles et les cartes WIM - 66
4.2.2.3 Présentation du service SWAP-Mail - 66
4.3 Extension du WTLS (E-WTLS) - 67
4.3.1 Pourquoi TTP ? - 68
4.3.2 Le protocole Handshake - 68
4.3.2.1 La phase de la négociation des paramètres de sécurité - 68
4.3.2.2 La phase d'authentification du serveur auprès du TTP - 69
4.3.2.3 La structuration du Certificate_OK en XDR - 69
4.3.2.4 L'authentification du serveur auprès du client via le TTP - 71
4.3.2.5 La phase d'intégration des échanges - 71
4.3.3 Le protocole Record du protocole E-WTLS - 71
4.3.4 Avantages et inconvénients - 72
4.3.5 Performances - 72
4.3.5.1 La charge protocolaire sur le réseau - 72
4.4 Une autre solution pour la sécurité dans WAP - 73
4.4.1 La phase Application - 73
4.4.2 La phase Handshake - 74
4.4.3 Avantages - 75
4.5 Conclusion - 75
Partie III: La sécurisation des échanges 802.11 sans fil - 77
5 Solutions de sécurité pour Wi-Fi basées sur TLS - 79
5.1 Introduction - 79
5.2 Le protocole TLS-PSK (Pre-Shared-Key) - 80
5.2.1 Rappel sur la négociation abrégée - 80
5.2.2 L'architecture de l'EPIS - 80
5.2.3 L'architecture proposée - 81
5.2.3.1 Introduction - 81
5.2.3.2 L'établissement d'une session sécurisée - 81
5.2.3.3 La fiabilité des échanges de bout en bout - 82
5.2.3.4 Services et performances - 82
5.2.3.5 Relation entre PSK, la carte à puce EAP et le réseau WiFi - 83
5.3 Le protocole TLS Express - 83
5.4 Le protocole EAP-Double-TLS - 84
5.4.1 La protection de l'identité de l'utilisateur EAP avec Double-TLS - 85
5.4.2 Vue générale de la négociation EAP-Double-TLS - 85
5.4.2.1 Phase 1: la négociation EAP-TLS-PSK - 85
5.4.2.2 Phase 2: la négociation EAP-TLS - 86
5.4.3 Les caractéristiques de Double-TLS - 87
5.4.3.1 La protection d'identité - 87
5.4.3.2 Autres services de sécurité - 87
5.4.3.2.1 Cryptographic binding - 88
5.4.3.2.2 Session independence - 88
5.4.3.3 Comparaison avec d'autres méthodes EAP - 88
5.4.4 Implémentation - 89
5.4.4.1 Implémentation du TLS express - 89
5.4.4.2 Implémentation du EAP-Double-TLS - 91
5.5 La carte à puce EAP-TLS - 94
5.5.1 L'architecture - 94
5.5.2 La fragmentation - 94
5.5.3 Les composants de la carte à puce EAP-TLS et l'environnement de développement - 96
5.5.3.1 La carte à puce JavaCard - 97
5.5.3.2 Le serveur d'authentification - 97
5.5.3.3 Le Supplicant - 98
5.5.4 Benchmark, performances et analyse - 98
5.5.4.1 Les performances générales - 99
5.5.4.1.1 Optimisation software - 100
5.6 Conclusion - 100
Partie IV: Une méthode d'authentification intégrant les extensions et les architectures des parties précédentes - 103
6 TLS avec PSK-PKC - 105
6.1 Introduction - 105
6.2 Historique - 105
6.3 Le protocole KEM-TLS - 106
6.3.1 Les messages protocolaires de KEM-TLS - 106
6.3.1.1 La structure du message ClientHello - 106
6.3.1.2 La structure du message ServerKeyExchange - 107
6.3.1.3 La structure du message ClientKeyExchange - 107
6.3.1.4 Calcul des clés de session et l'établissement de la phase d'authentification - 109
6.3.2 Analyse du protocole KEM-TLS - 109
6.3.2.1 La clé partagée remplace-t-elle le certificat - 109
6.3.2.2 La charge protocolaire et cryptographique - 110
6.3.2.3 Gestion pseudonyme avec KEM-TLS - 111
6.4 Conclusion - 111
7 Conclusion et perspectives - 113
7.1 Conclusion - 113
7.2 Perspectives - 114
References - 117
Annexe A - 123
A.1. Les attaques actives - 123
A.2. Les attaques passives - 124
A.3. Les principaux services de la sécurité informatique - 124
A.4. Les Infrastructures à clé publique - 126
Annexe B - 129
B.1. CMS - 129
B.2. PKCS #7 - 129
B.3. S/MIME - 129
Liste des publications - 131
Liste des acronymes - 133

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