Design and formal analysis of security protocols, an application to electronic voting and mobile payment

Les “smart-devices” tels les smartphones, tablettes et même les montres ont été largement démocratisés au cours de la dernière décennie. Dans nos sociétés occidentales, on ne garde plus seulement son ordinateur personnel chez soi, on le transporte dans la poche arrière de son pantalon ou bien autour de son poignet. Ces outils ne sont d’ailleurs plus limités, en termes d’utilisation, à de la simple communication par SMS ou bien téléphone, on se fie à eux pour stocker nos photos et données personnelles, ces dernières parfois aussi critiques que des données de paiement bancaires, on gère nos contacts et finances, se connecte à notre boite mail ou un site marchand depuis eux. . . Des exemples récents nous fournissent d’ailleurs un aperçu des tâches de plus en plus complexes que l’on confie à ces outils : l’Estonie autorise l’utilisation de smartphones pour participer aux scrutins nationaux et en 2017, la société Transport for London a lancé sa propre application autorisant l’émulation d’une Oyster card et son rechargement pour emprunter son réseau de transports publics. Plus les services se complexifient, plus la confiance qui leur est accordée par les groupes industriels et les utilisateurs grandit. Nous nous intéressons ici aux protocoles cryptographiques qui définissent les échanges entre les outils et entités qui interviennent dans l’utilisation de tels services et aux garanties qu’ils proposent en termes de sécurité (authentification mutuelle des agent, intégrité des messages circulant, secret d’une valeur critique…). Moult exemples de la littérature et de la vie courante ont démontré que leur élaboration était hautement vulnérable à des erreurs de design. Heureusement, des années de recherches nous ont fournis des outils pour rendre cette tâche plus fiable, les méthodes formelles font partie de ceux-là. Il est possible de modeler un protocole cryptographique comme un processus abstrait qui manipule des données et primitives cryptographiques elles aussi modélisées comme des termes et fonctions abstraites. On met le protocole à l’épreuve face à un attaquant actif et on peut spécifier mathématiquement les propriétés de sécurité qu’il est censé garantir. Ces preuves de sécurité peuvent être automatisées grâce à des outils tels que ProVerif ou bien Tamarin. L’une des grandes difficultés lorsque l’on cherche à concevoir et prouver formellement la sécurité d’un protocole de niveau industriel réside dans le fait que ce genre de protocole est généralement très long et doit satisfaire des propriétés de sécurité plus complexes que certains protocoles universitaires. Au cours de cette thèse, nous avons souhaité étudier deux cas d’usage : le vote électronique et le paiement mobile. Dans les deux cas, nous avons conçu et prouvé la sécurité d’un protocole répondant aux problématiques spécifiques à chacun des cas d’usage. Dans le cadre du vote électronique, nous proposons le protocole Belenios VS, une variante de Belenios RF. Nous définissons l’écosystème dans lequel le protocole est exécuté et prouvons sa sécurité grâce à ProVerif. Belenios VS garantit la confidentialité du vote et le fait qu’un utilisateur puisse vérifier que son vote a bien fait parti du résultat final de l’élection, tout cela même si l’outil utilisé par le votant est sous le contrôle d’un attaquant. Dans le cadre du paiement, nous avons proposé la première spécification ouverte de bout en bout d’une application de paiement mobile. Sa conception a pris en compte le fait qu’elle devait pouvoir s’adapter à l’écosystème de paiement déjà existant pour être largement déployable et que les coûts de gestion, de développement et de maintenance de la sécurité devait être optimisésThe last decade has seen the massive democratization of smart devices such as phones, tablets, even watches. In the wealthiest societies of the world, not only do people have their personal computer at home, they now carry one in their pocket or around their wrist on a day to day basis. And those devices are no more used simply for communication through messaging or phone calls, they are now used to store personal photos or critical payment data, manage contacts and finances, connect to an e-mail box or a merchant website... Recent examples call for more complex tasks we ask to such devices: Estonia voting policy allows the use of smart ID cards and smartphones to participate to national elections. In 2017, Transport for London launched the TfL Oyster app to allow tube users to top up and manage their Oyster card from their smartphone. As services grow with more complexity, so do the trust users and businesses put in them. We focus our interest into cryptographic protocols which define the exchanges between devices and entities so that such interaction ensure some security guarantees such as authentication, integrity of messages, secrecy… Their design is known to be an error prone task. Thankfully, years of research gave us some tools to improve the design of security protocols, among them are the formal methods: we can model a cryptographic protocol as an abstract process that manipulates data and cryptographic function, also modeled as abstract terms and functions. The protocol is tested against an active adversary and the guarantees we would like a protocol to satisfy are modeled as security properties. The security of the protocol can then be mathematically proven. Such proofs can be automated with tools like ProVerif or Tamarin. One of the big challenge when it comes to designing and formally proving the security an “industrial- level” protocol lies in the fact that such protocols are usually heavier than academic protocols and that they aim at more complex security properties than the classical ones. With this thesis, we wanted to focus on two use cases: electronic voting and mobile payment. We designed two protocols, one for each respective use case and proved their security using automated prover tools. The first one, Belenios VS, is a variant of an existing voting scheme, Belenios RF. It specifies a voting ecosystem allowing a user to cast a ballot from a voting sheet by flashing a code. The protocol’s security has been proven using the ProVerif tool. It guarantees that the vote confidentiality cannot be broken and that the user is capable of verifying their vote is part of the final result by performing a simple task that requires no technical skills all of this even if the user’s device is compromised – by a malware for instance. The second protocol is a payment one that has been conceived in order to be fully scalable with the existing payment ecosystem while improving the security management and cost on the smartphone. Its security has been proven using the Tamarin prover and holds even if the user’s device is under an attacker’s contro