Security of short and long range wireless networks based on physical layer monitoring mechanisms
Sécurité des réseaux sans-fil courte et longue portée basée sur des mécanismes de monitoring de la couche physique
Résumé
We witnessed, in the last few years, the massive expansion of the
Internet of Things (IoT) to multiple everyday devices, in homes, buildings and factories.
The inclusion of heterogeneous wireless transceivers in potentially critical
appliances and environments is then raising growing security and safety concerns.
However, according to the litterature, there is still room for improvement, especially
in off-the-shelf devices, often not implementing the different security measures of
the protocols they use. As such, numerous works focus on the improvement of the
global security and safety of the IoT, and more generally in the wireless communications
often used by these devices. The subject of the Physical Layer security is often
disregarded, because of its complexity or the fact that it is less critical in more traditional
wired networks. However, the wireless communication medium can have a
substantial impact on the attack surface because of its higher availability, since anyone
in radio range can listen to communications. It also brings new vulnerabilities,
that are specific to this kind of transmissions. Furthermore, the low complexity and
computational power of the devices in use often results in simple protocols, making
device cloning and injections more easy, and harder to detect from higher layers.
Thus, in this thesis, we decided to focus on the impact of the wireless Physical
Layer on network security, and highlight the importance of transversal approaches
between signal processing and cybersecurity. We first show the new dimension introduced
by the common wireless medium in offensive security, by showing a new
attack based on similarities in Physical Layers of two protocols to break the isolation
between them. This attack, Wazabee, allows Bluetooth Low Energy transceivers
to communicate seemlessly with Zigbee networks. We also show that the principle
behind it could be extended to other pairs of protocols, should the conditions be
met. This highlights the importance of a more protocol-agnostic monitoring of the
wireless medium, able to detect communications outside the legitimate protocols
of the environment, and to not consider co-existing wireless protocols as isolated.
Then, we propose two defensive contributions, to help secure wireless networks by
analysing the communications from a Physical Layer perspective. First, we present
a low-cost fingerprinting approach for wireless devices, to detect potential identity
theft attacks, i.e. attacks where an illegitimate device tries to take the place of a
legitimate one in the network. Then, we present an approach for automated wireless
protocol audit, allowing to detect and analyze various protocols emitting in a
wide range of frequencies, with minimal assumptions on their nature. These two
approaches complete higher-layer security measures, to detect potential intruders
or covert channels in the environment, and to ease protocol analysis for security
experts.
Nous assistons, depuis plusieurs années, à l’extension de l’Internet
des Objets à de nouveaux objets du quotidien, que ce soit dans les domiciles ou
sur le lieu de travail. L’ajout d’émetteurs hétérogènes dans de nombreux objets
et certains environnements sensibles pose de nombreux problèmes en termes de
sûreté et de sécurité. Les travaux récents montrent qu’il y a encore du chemin à
parcourir, notamment pour les objets grand-public, qui n’implémentent souvent
pas les mesures de sécurité définies dans les standards. Partant de ce
constat, de nombreux travaux s’intéressent aujourd’hui à la sécurité et à la
sûreté dans l’IoT, et plus généralement dans les réseaux sans-fil, souvent utilisés
par ces objets. Le sujet de la sécurisation de la couche physique est
souvent mis de côté, que ce soit pour sa complexité ou par comparaison avec
les réseaux filaires traditionnels, où elle a moins d’impact. Toutefois, la plus
grande accessibilité des réseaux sans-fil par tout ce qui se trouve à portée
radio en augmente considérablement la surface d’attaque. S’y ajoutent également
des vulnérabilités propres à ce type de transmissions, et la simplicité
de certains protocoles, due à la faible puissance de calcul des objets, rendant
des attaques telles que le clonage d’objet légitime plus aisées, et difficiles à
détecter depuis les couches supérieures. Dans cette thèse, nous nous sommes
donc concentrés sur l’impact de l’aspect sans-fil de la couche physique sur la
sécurité de ces réseaux, mettant en évidence l’intérêt d’approches transversales
entre traitement du signal et sécurité. Nous montrons d’abord l’impact
offensif du moyen de communication commun, en exposant une nouvelle attaque
basée sur la similarité des couches physiques de deux protocoles. Cette
attaque, Wazabee, permet à des objets BLE de communiquer avec des objets
Zigbee. Nous montrons également que le principe de l’attaque pourrait être
étendu à d’autres paires de protocoles. Nous soulignons ainsi l’importance
de moyens de détection plus indépendants des protocoles déployés capables
de détecter des communications hors des canaux légitimes, et de ne pas considérer
des réseaux sans-fil différents mais colocalisés comme isolés les uns
des autres. Enfin, nous présentons deux contributions défensives basées sur
l’analyse de ces réseaux depuis leur couche physique. Premièrement, nous
présentons une approche à bas coût d’identification d’émetteurs sans-fil, visant
des attaques usurpant l’identité d’émetteurs légitimes. Ensuite, nous présentons
une approche d’automatisation de l’audit de protocoles sans-fil, permettant
de détecter et d’analyser le contenu d’émissions sans-fil, avec un minimum
d’hypothèses sur leur nature. Ces deux approches complètent des mesures aux
couches supérieures, en permettant de détecter de potentielles intrusions ou
canaux cachés, et pour faciliter l’analyse des protocoles utilisés par les experts.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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