\documentclass[a4paper,10pt]{article}

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%%% URLs %%%
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\urldef{\monodevelop}\url{http://www.monodevelop.com/}
\urldef{\rsacryptoserviceprovider}\url{http://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.security.cryptography.rsacryptoserviceprovider%28v=vs.110%29.aspx}

\title{ICR - Labo \#2 : \textit{Conception et implémentation d'un container sécurisé pour des données médicales}}
\author{G.Burri}

\lstdefinelanguage{FSharp}%
{morekeywords={let, new, match, with, rec, open, module, namespace, type, of, member, % 
and, for, while, true, false, in, do, begin, end, fun, function, return, yield, try, %
mutable, if, then, else, cloud, async, static, use, abstract, interface, inherit, finally },
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  stringstyle=\color{red},
}

\begin{document}

\nocite{*}

\maketitle


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{Introduction}

Le but de ce laboratoire est de définir les algorithmes cryptographique et leurs paramètres afin de sécuriser des données médicales. Une donnée médicale est représentée par un fichier qui devra être sécurisé au sein d'un container dont le format sera définit par nos soins. Une implémentation sera ensuite proposée.


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{Niveaux de sécurité}

\subsection{Quel est le niveau de sécurité que l'on souhaite atteindre ?}

\begin{itemize}
   \item Confidentialité : les données chiffrées ne doivent pas pouvoir être décryptées par un attaquant.
   \item Authenticité : un attaquant ne doit pas pouvoir forger un container, une signature est réalisée à l'aide d'une paire de clef \emph{RSA} publique-privée.
   \item Intégrité : il ne faut pas que les données chiffrées aient pu être altérées par un attaquant.
\end{itemize}


\subsection{Comment s'assure-t-on que les données sont stockées de manière confidentielle ? En particulier ce qui concerne les méta-données}

Les méta-données ainsi que les données sont chiffrées ensemble. Voir le format du container décrit ci-après.


\subsection{Comment s'assure-t-on que les données stockées sont authentiques ? Quels sont les risques à prendre en compte ?}

L'empreinte des données est signée à l'aide d'une clef privée donnée en paramètre de l'\emph{API}, ceci représente la signature qui est placée dans le container. Lors du déchiffrement, la clef publique correspondante est fournie puis utilisée pour déchiffrer l'empreinte qui est comparée à l'empreinte des données.


\subsection{Comment s'assure-t-on que les données stockées sont intègres ?}

Cela est réalisé avec un \emph{MAC}, dans notre cas nous utilisons \emph{HMAC-SHA256} sur l'ensemble des données chiffrées (\emph{Encrypt-then-MAC}).


\subsection{Quels sont les clefs cryptographiques requises qu'il est nécessaire de gérer ?}

\subsubsection{Clefs externes}

Concerne les clefs externes à l'\emph{API}.

\begin{itemize}
   \item Une paire de clefs \emph{RSA-2048} pour la signature.
   \item Une paire de clefs \emph{RSA-2048} pour le chiffrement des clefs \emph{AES}.
\end{itemize}


\subsubsection{Clefs internes}

Concerne les clefs gérées à l'intérieur du container.

\begin{itemize}
   \item Une clef de 256 bits pour \emph{AES}.
   \item Une clef de 256 bits pour \emph{HMAC}.
\end{itemize}

Ces clefs sont générées aléatoirement à chaque création d'un container.


\section{Choix des algorithmes et des paramètres}

\begin{itemize}
   \item \emph{RSA-2048} pour la signature ainsi que pour le chiffrage des clefs \emph{AES} et \emph{HMAC}. Le bourrage \emph{PKCS\#1 v1.5} est utilisé ;
   \item \emph{HMAC-SHA256} pour la vérification de l'intégrité ;
   \item \emph{AES-CBC256} pour le chiffrement symétrique du contenu du fichier et des méta-données associées. Le bourrage \emph{PKCS7} est utilisé.
\end{itemize}


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{format du container}

Le format est définit comme suit en \emph{EBNF}. Les valeurs entre crochets correspondent soit à une taille en bits soit à un type.

\begin{lstlisting}[frame=single, breaklines, basicstyle=\ttfamily\footnotesize]
container = header, ciphertext ;
header = mac[256], signature[2048], keys[2048] ;
ciphertext = AES(plaintext) ;
plaintext = meta-data, file-content ;
meta-data = nb-meta-data[byte], { key-value-pair } ;
key-value-pair = key[string], value[string] ;
string = size[vint], content-utf8 ;
\end{lstlisting}

\texttt{nb-meta-data} est le nombre de pair clef-valeur des méta-données.

\texttt{keys} correspond aux clefs $k_c$ et $k_a$ ainsi qu'a l'\emph{IV} le tout chiffré avec \emph{RSA-2048}. La taille des données chiffrées est égale à $k_c + k_a + iv = 256 + 256 + 128 = 640\,bits$.

Les méta-données (\texttt{meta-data}) peuvent contenir, par exemple, le nom du fichier, sa date de création, ses droits, ou tout autres données associées.

Le type \texttt{vint} correspond à un entier de taille variable, initialement occupant un octet.

Comme les clefs (\emph{AES} et \emph{HMAC-SHA256}) sont différentes à chaque chiffrement, que le \emph{MAC} dépend de sa clef et des données chiffrées et que la signature dépend du \emph{MAC} alors l'ensemble des octets des différentes parties du fichier résultat va être fortement différent d'un chiffrement à l'autre pour le même fichier en entrée.


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{processus}

\subsection{chiffrement}

Entrées :

\begin{itemize}
   \item $f$ : fichier
   \item $k_{pub}$ : clef publique RSA
   \item $k_{signpriv}$ : clef privé de signature RSA
\end{itemize}


Processus :

\begin{enumerate}
   \item Génération d'une clef 256 bits pour \emph{AES} $\rightarrow  k_c$.
   \item Génération d'une clef 256 bits pour \emph{MAC} $\rightarrow k_a$.
   \item Génération d'un \emph{IV} 128 bits pour le mode \emph{CBC} $\rightarrow iv$.
   \item Construction du $plaintext$, voir format ci dessus.
   \item Chiffrement du $plaintext$ avec \emph{AES-CBC256}, $k_c$ et $iv \rightarrow ciphertext$.
   \item Calcul de MAC de $ciphertext$ $\rightarrow mac$.
   \item Signature de $mac$ avec $k_{signpriv}$ $\rightarrow sig$.
   \item Chiffrement de $k_c + k_a + iv$ avec $k_pub \rightarrow keys$.
   \item Renvoie $mac + sig + keys + ciphertext$.
\end{enumerate}

Où $+$ dénote la concaténation.


\subsection{déchiffrement}

Entrée :

\begin{itemize}
   \item $c$ : container chiffrées
   \item $k_{priv}$ : clef privée RSA
   \item $k_{signpub}$ : la clef publique de signature RSA
\end{itemize}

Processus :

\begin{enumerate}
   \item Lecture de $mac$, calcul de $mac'$ sur $c$ comparaison des deux afin de vérifier l'intégrité.
   \item Vérification de la signature avec $k_{signpub}$.
   \item Déchiffrement de $k_c + k_a + iv$ avec $k_{priv}$.
   \item Déchiffrement du reste des données ($ciphertext$).
\end{enumerate}

Ce processus nécessite deux cycles de lecture des données, le premier pour le calcul de $mac'$ et le deuxième pour le déchiffrement. Le deuxième cycle n'est effectué que si l'intégrité et l'authenticité ont été validés.


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{Implémentation}

Nous utilisons ici la plate-forme \emph{.NET} ainsi que le langage \emph{F\#}. L'ensemble des éléments cryptographiques requis sont fournit par \emph{.NET}\footnote{\dotnetcrypto}.

Deux \emph{assemblies} sont crées :

\begin{itemize}
   \item \emph{CryptoFile} : \emph{Library} mettant à disposition l'\emph{API} de chiffrement de fichier et de déchiffrement de container.
   \item \emph{CryptoFileTests} : Exécutable utilisant la \emph{library} \emph{CryptoFile} et permettant d'utiliser l'\emph{API} à l'aide d'arguments fournis par la ligne de commande.
\end{itemize}

\subsection{Utilisation}

Il est possible de compiler la solution à l'aide de \emph{MonoDevelop}\footnote{\monodevelop} ou de \emph{Visual Studio 2012}. Le script \emph{Bash} \texttt{labo2-fsharp/run\_tests.sh} permet de compiler la solution puis d'exécuter un certain nombre de tests.

À partir du dossier \texttt{labo2-fsharp} et après avoir compiler en \emph{release} la solution, voici ce qu'il est possible d'effectuer :

\begin{itemize}
   \item \texttt{CryptoFileTests/bin/Release/CryptoFileTests.exe tests} : Réalise une série de tests.
   \item \texttt{CryptoFileTests/bin/Release/CryptoFileTests.exe encrypt <file> <container>} : Chiffre le fichier \texttt{<file>} ver le container \texttt{<container>}.
   \item \texttt{CryptoFileTests/bin/Release/CryptoFileTests.exe decrypt <container> <output directory>} : Déchiffre le container \texttt{<container>} dans le dossier \texttt{<output directory>}.
\end{itemize}

Les clefs publiques et privées pour le chiffrement ainsi que pour la réalisation de la signature se trouvent dans les fichiers \texttt{keys-crypt.priv}, \texttt{keys-crypt.pub}, \texttt{keys-sign.priv} et \texttt{keys-sign.pub}. Ceux-ci sont automatiquement générés dans le cas où ils sont introuvables.


\subsection{Organisation du code}

La \emph{ĺibrary} \emph{CryptoFile} est composée de trois fichiers :

\begin{itemize}
   \item \emph{Types.fs} : Quelques types publics.
   \item \emph{Crypto.fs} : Toutes les primitives cryptographique nécessaire.
   \item \emph{UnitTests.fs} : Quelques tests unitaires du module \emph{Crypto}.
   \item \emph{API.fs} : L'interface publique de la \emph{library}. Elle est détaillée ci-après.
\end{itemize}

\subsubsection{API}

Voici la partie publique de la \emph{library} \emph{CryptoFile}.

\begin{minipage}{\linewidth} % Pour éviter que le listing soit séparé sur deux pages.
\begin{lstlisting}[language=FSharp, frame=single, basicstyle=\ttfamily\footnotesize]
module API =
    (* Generate a key pair (public * private)
       for using in the next two functions. 
       You have the reponsability to keep
       the private part secret *)
    let generatKeysPair : Key * Key
    
    let encryptFile (inputFilePath : string)
                    (outputFilePath : string)
                    (signaturePrivKey: Key)
                    (cryptPubKey : Key)
                    
    let decryptFile (sourceFilePath : string)
                    (targetDirPath : string)
                    (signaturePubKey: Key)
                    (decryptPrivKey : Key)
\end{lstlisting}
\end{minipage}


\subsection{Mesures de performance}

Quelques mesures sur un fichier de 871 MiB. Sous \emph{Linux} avec \emph{Mono} 3.10.0. Des résultats similaires ont été obtenus sous \emph{Windows 8} avec \emph{Visual Studio 2012}.

Chiffrement :

\begin{itemize}
   \item Temps : 42 s.
   \item Mémoire utilisée : 15 MiB.
   \item Taux \emph{CPU} : un cœur à 100 \%
\end{itemize}

Déchiffrement :

\begin{itemize}
   \item Temps : 55 s.
   \item Mémoire utilisée : 20 MiB.
   \item Taux \emph{CPU} : un cœur à 100 \%
\end{itemize}


\section{Analyse de la sécurité de l'implémentation}

\subsection{Quelles sont les parties critiques du code et comment s'assure-t-on que ces parties soit correctement implémentées ?}

La génération des clefs \emph{AES} doit être faite avec un générateur cryptographique. Dans notre cas nous utilisons \emph{RSACryptoServiceProvider}\footnote{\rsacryptoserviceprovider}.

La mémoire correspondant aux clefs générées devrait être effacé, dans notre cas si un attaquant a accès à la mémoire de notre programme alors il a accès au contenu des fichiers à chiffrer, il n'y a donc pas de précautions prise en particulier à ce sujet.


\subsection{Quels sont les points faibles restants et quelles sont les possibilités de les corriger ?}

Les deux clefs privées \emph{RSA} doivent absolument rester secrètes, pour ce faire il faudrait chiffrer les fichiers contenant ces clefs à l'aide d'une \emph{passphrase} robuste et garder celle-ci en sécurité.


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{Conclusion}



\bibliographystyle{plain}
\bibliography{main}

\end{document}
