CH716268A2 - Procédé de partage d'un secret parmi les noeuds d'un réseau informatique, avec contrôle statistique de noeuds défaillants. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de stockage sécurisé d'un secret D parmi des noeuds (S i ) de stockage d'un réseau (1) informatique, qui comprend la détection de noeuds (S i ) de stockage défaillants par analyse statistique, conduite dans une enclave (5), d'erreurs sur les valeurs reconstituées du secret, et la redistribution du secret D à partir de l'enclave (5) vers de nouveaux noeuds (S i ) de stockage.

Description

DOMAINE TECHNIQUE

[0001] L'invention a trait au domaine de l'informatique, et plus précisément au domaine du stockage distribué, en réseau, de données secrètes.

ART ANTERIEUR

[0002] La problématique du stockage d'une donnée informatique que l'on souhaite conserver secrète (appelée simplement „secret“) n'est pas nouvelle.

[0003] Une méthode classique pour protéger un secret d'un accès non autorisé est le chiffrement, réalisé au moyen d'une clé cryptographique de chiffrement dont l'action sur le secret a pour effet de le brouiller de sorte à le rendre illisible. Une clé cryptographique de déchiffrement appliquée au secret brouillé a pour effet inverse de le débrouiller, de sorte à retomber sur le secret sous sa forme lisible.

[0004] Lorsqu'une seule clé cryptographique sert pour le chiffrement et le déchiffrement, on dit que le chiffrement et la clé sont symétriques. Lorsque la clé de chiffrement et la clé de déchiffrement sont différentes, on dit que le chiffrement et les clés sont asymétriques.

[0005] Le chiffrement, qu'il soit symétrique ou asymétrique, rend, certes, illisible la donnée initiale mais il transpose la problématique du secret à la clé qui en permet de déchiffrement, de sorte que se pose à nouveau la question du stockage de cette clé.

[0006] Stocker cette clé sur un support mémoire isolé de tout réseau (typiquement sur une carte SD ou un disque dur externe) permet, certes, de maintenir le secret à l'abri d'accès non autorisés. Mais se pose alors le problème du vol, de la perte ou de l'endommagement du support.

[0007] Une méthode théorique, dite du partage de clé secrète de Shamir, a été proposée pour résoudre ces problèmes (A. Shamir, How To Share a Secret, in Communications of the ACM, Vol.22, Issue 11, Nov. 1979, pp.612-613).

[0008] Cette solution consiste à diviser (ou fragmenter) le secret, noté D, en un nombre N (N un entier, N≥3) prédéterminé de parties ou fragments Di(i = 1, ...N), et à partager (ou distribuer) les fragments parmi un groupe de participants dont chacun est dépositaire d'un unique fragment, de telle sorte que : La détention ou la connaissance d'un nombre prédéterminé K (K un entier, 2 < K < N) de fragments Di(quels qu'ils soient) permet de reconstituer le secret D ; En revanche, la connaissance ou la détention d'un nombre inférieur ou égal à K -1 de fragments Dine permet pas de recalculer le secret D.

[0009] On comprend donc qu'aucun participant détenteur d'un unique fragment Din'est en mesure, seul, de reconstituer le secret D.

[0010] La méthode du partage de clé secrète de Shamir s'applique typiquement à une clé cryptographique (le secret, D) divisée en fragments (Di) partagés parmi les noeuds (dénomination usuelle des terminaux, ordinateurs ou serveurs) d'un réseau informatique.

[0011] Cette méthode est avantageuse dans la mesure où elle permet de reconstituer le secret D même dans l'hypothèse où une partie des fragments Di(ou leurs noeuds dépositaires) seraient volés, perdus ou endommagés. Plus précisément, la reconstitution du secret D demeure possible tant que le nombre de fragments Di(ou de noeuds dépositaires) disponibles reste supérieur ou égal à K.

[0012] En d'autres termes, le nombre de fragments Diindisponibles (c'est-à-dire dont les dépositaires ont été volés, perdus, endommagés, ou encore, et plus simplement, sont hors ligne), doit demeurer strictement inférieur à N - K.

[0013] En revanche, dès lors que le nombre de fragments Didisponible devient strictement inférieur à K, ou, en d'autres termes, dès lors que le nombre de fragments Diindisponibles atteint ou dépasse N-K, la reconstitution du secret D devient, mathématiquement, impossible. Dans ces conditions, le secret D est perdu, à moins qu'une sauvegarde n'en ait été faite (ce qui serait incohérent avec le recours initial à la méthode du partage de clé secrète de Shamir).

[0014] Sur le plan pratique, la méthode du partage de clé secrète de Shamir pose par conséquent le problème du contrôle de l'intégrité et de la disponibilité des fragments Diet/ou des participants dépositaires des fragments Di, c'est-à-dire de la vérification que chaque participant possède effectivement son fragment, et, surtout, que ce fragment est inaltéré, et disponible pour la participation à la reconstitution du secret D.

[0015] Plus généralement, la méthode du partage de clé secrète de Shamir pose le problème de la pérennité du stockage des fragments D.

[0016] L'invention vise à apporter une solution à ces problèmes, en proposant un procédé de stockage qui contrôle l'intégrité et la disponibilité des fragments Didu secret D, et, en cas de défaillance constatée parmi des noeuds dépositaires, effectue une redistribution du secret.

RESUME DE L'INVENTION

[0017] Il est proposé un procédé de stockage sécurisé d'une donnée D informatique au sein d'un réseau informatique comprenant une pluralité de noeuds, ce procédé comprenant :

[0018] A) Une phase de distribution, qui comprend les opérations consistant, à partir d'un noeud du réseau dit noeud distributeur, équipé d'une unité de traitement informatique dans laquelle est implémenté un environnement d'exécution sécurisé par cryptographie, dit enclave, à : - Instancier l'enclave ; - Dans l'enclave du nœud distributeur : o Créer ou charger la donnée D informatique ; o Fragmenter la donnée D informatique en un nombre prédéterminé N (N un entier, N ≥<>3) de fragments Di(i un entier, 1≤ i≤ N) tel qu'un nombre prédéterminé K (K un entier, 2 ≤ K < N) de fragments Diest suffisant pour permettre une reconstitution de la donnée D ; o Désigner, parmi le réseau, un ensemble de N noeuds de stockage ; o Distribuer les N fragments Divers les N noeuds de stockage, chaque nœud de stockage recevant un unique fragment Di ; B) Une phase de contrôle, qui comprend la désignation, parmi les noeuds du réseau, d'un noeud de contrôle équipé d'une unité de traitement informatique dans laquelle est implémentée une enclave ; - Instancier l'enclave ; - Dans l'enclave du nœud de contrôle : o Charger les fragments Dià partir des nœuds de stockage ; o Pour chaque combinaison j (j un entier, ) de K fragments Di, reconstituer une version Vjde la donnée ; o Identifier une première population de P (P un entier, P ≥ K) noeuds de stockage dont les combinaisons des fragments Dicontribuent à reconstituer une même version D' de la donnée, dite version de référence ; o Déclarer intègres les P noeuds de cette première population ; o Identifier une deuxième population de N - P noeuds de stockage qui n'appartiennent pas à la première population ; o Déclarer défaillants les N-P noeuds de cette deuxième population ; o Fragmenter la version D' de référence de la donnée en un nombre prédéterminé N de nouveaux fragments D'jtel qu'un nombre K de nouveaux fragments D'jest suffisant pour permettre une reconstitution de cette version D'de référence de la donnée ; o Désigner, parmi le réseau, un nouvel ensemble de N noeuds de stockage comprenant les P noeuds intègres et N - P nouveaux noeuds de stockage distincts des N-P noeuds de stockage défaillants ; o Distribuer les N nouveaux fragments D'jvers les N nœuds de stockage du nouvel ensemble, chaque nœud de stockage recevant un unique nouveau fragment D'j.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0019] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : LaFIG.1est un schéma simplifié illustrant un réseau pair-à-pair dont au moins un noeud est équipé d'une unité de traitement sur laquelle est implémentée une enclave ; LaFIG.2est un schéma fonctionnel illustrant pour partie une architecture réseau, pour partie une phase de distribution du procédé de stockage ; LaFIG.3est un schéma fonctionnel illustrant pour partie une architecture réseau, pour partie une phase de contrôle du procédé de stockage.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

[0020] Le procédé proposé vise à stocker, de manière sécurisée, une donnée D informatique au sein d'un réseau 1 informatique (ici du type pair-à-pair) comprenant une pluralité de noeuds 2 (ordinateurs, serveurs).

[0021] Comme nous le verrons, ce procédé de stockage applique la méthode de partage du secret de Shamir, dans lequel la donnée D est fragmentée avant d'être distribuée parmi des participants (ici des noeuds 2 du réseau 1).

[0022] Le procédé de stockage proposé exploite notamment la technologie de l'environnement d'exécution sécurisé ou, en terminologie anglo-saxonne, du trusted execution environment (TEE).

[0023] Par référence à laFIG.1, un environnement d'exécution sécurisé (Trusted exécution environment ou TEE) est, au sein d'une unité 3 de traitement informatique équipant un noeud 2 et pourvue d'un processeur ou CPU (Central Processing Unit) 4, un espace 5 temporaire de calcul et de stockage de données, appelé (par convention) enclave, ou encore enclave cryptographique, qui se trouve isolé, par des moyens cryptographiques, de toute action non autorisée résultant de l'exécution d'une application hors de cet espace, typiquement du système d'exploitation.

[0024] Intel® a, par exemple, revu à partir de 2013 la structure et les interfaces de ses processeurs pour y inclure des fonctions d'enclave, sous la dénomination Software Guard Extension, plus connue sous l'acronyme SGX. SGX équipe la plupart des processeurs de type XX86 commercialisés par Intel® depuis 2015, et plus précisément à partir de la sixième génération incorporant la microarchitecture dite Skylake. Les fonctions d'enclave proposées par SGX ne sont pas accessibles d'office : il convient de les activer via le système élémentaire d'entrée/sortie (Basic Input Output System ou BIOS).

[0025] Il n'entre pas dans les nécessités de la présente description de détailler l'architecture des enclaves, dans la mesure où : En dépit de sa relative jeunesse, cette architecture est relativement bien documentée, notamment par Intel® qui a déposé de nombreux brevets, cf. par ex., parmi les plus récents, la demande de brevet américain US 2019/0058696 ; Des processeurs permettant de les implémenter sont disponibles sur le marché - notamment les processeur Intel® précités ; Seules les fonctionnalités permises par l'enclave nous intéressent ici, ces fonctionnalités pouvant être mises en oeuvre via des lignes de commande spécifiques. A ce titre, l'homme du métier pourra se référer au guide édité en 2016 par Intel® : Software Guard Extensions, Developer Guide.

[0026] Pour une description plus accessible des enclaves, et plus particulièrement d'Intel® SGX, l'homme du métier peut également se référer à A. Adamski, Overview of Intel SGX - Part 1, SGX Internal, ou à D. Boneh, Surnaming Schemes, Fast Verification, and Applications to SGX Technology, in Topics in Cryptology, CT - RSA 2017, The Cryptographers' Track at the RSA Conférence 2017, San Francisco, CA, USA, Feb.14-17, 2017, Proceedings, pp.149-164, ou encore à K. Severinsen, Secure Programming with Intel SGX and Novel Applications, Thesis submitted for the Degree of Master in Programming and Networks, Dept. Of Informatics, Faculty of Mathematics and Natural Science, University of Oslo, Autumn 2017.

[0027] Pour résumer, en référence à laFIG.1, une enclave 5 comprend, en premier lieu, une zone 6 mémoire sécurisée (dénommée Page Cache d'enclave, en anglais Enclave Page Cache ou EPC), qui contient du code et des données relatives à l'enclave elle-même, et dont le contenu est chiffré et déchiffré en temps réel par une puce dédiée dénommée Moteur de Chiffrement de Mémoire (en anglais Memory Encryption Engine ou MEE). L'EPC 6 est implémentée au sein d'une partie de la mémoire vive dynamique (DRAM) 7 allouée au processeur 4, et à laquelle les applications ordinaires (notamment le système d'exploitation) n'ont pas accès.

[0028] L'enclave 5 comprend, en deuxième lieu, des clés cryptographiques employées pour chiffrer ou signer à la volée les données sortant de l'EPC 6, ce grâce à quoi l'enclave 5 peut être identifiée (notamment par d'autres enclaves), et les données qu'elle génère peuvent être chiffrées pour être stockées dans des zones de mémoire non protégées (c'est-à-dire hors de l'EPC 6).

[0029] Pour pouvoir exploiter une telle enclave 5, une application 8 doit être segmentée en, d'une part, une ou plusieurs parties 9 non sécurisées (en anglais untrusted part(s)), et, d'autre part, une ou plusieurs parties 10 sécurisées (en anglais trusted part(s)).

[0030] Seuls les processus induits par la (les) partie(s) 10 sécurisée(s) de l'application 8 peuvent accéder à l'enclave 5. Les processus induits par la (les) partie(s) 9 non sécurisée(s) ne peuvent pas accéder à l'enclave 5, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas dialoguer avec les processus induits par la (les) partie(s) 10 sécurisée(s).

[0031] La création (également dénommée instanciation) de l'enclave 5 et le déroulement de processus en son sein sont commandés via un jeu 11 d'instructions particulières exécutables par le processeur 4 et appelées par la (les) partie(s) 10 sécurisée(s) de l'application 8.

[0032] Parmi ces instructions : ECREATE commande la création d'une enclave 5 ; EINIT commande l'initialisation de l'enclave 5 ; EADD commande le chargement de code dans l'enclave 5 ; ERESUME commande une nouvelle exécution de code dans l'enclave 5 ; EEXIT commande la sortie de l'enclave 5, typiquement à la fin d'un processus exécuté dans l'enclave 5.

[0033] On a, sur laFIG.1, représenté de manière fonctionnelle l'enclave 5 sous la forme d'un bloc (en traits pointillés) englobant la partie 10 sécurisée de l'application 8, le jeu 11 d'instructions du processeur 4, et l'EPC 6. Cette représentation n'est pas réaliste ; elle vise simplement à regrouper visuellement les principaux éléments qui composent ou exploitent l'enclave 5.

[0034] Nous expliquerons ci-après comment sont exploitées les enclaves.

[0035] Le procédé de stockage comprend trois phases, à savoir une phase de distribution, une phase de contrôle et une phase de redistribution.

[0036] La phase de distribution comprend une opération préliminaire consistant à désigner parmi le réseau 1 un noeud 2D dit noeud distributeur, équipé d'une unité 3 de traitement informatique dans laquelle est implémentée une enclave 5.

[0037] Cette enclave 5 est, tout d'abord, instanciée.

[0038] Dans l'enclave 5 se déroulent ensuite les opérations suivantes.

[0039] Une première opération consiste à créer ou charger la donnée D informatique.

[0040] Selon un mode de réalisation illustré sur la FIG.2, la donnée D est chargée à partir d'un terminal 12 relié (ou appartenant) au réseau 1. Dans ce cas, ce chargement est avantageusement effectué via une ligne 13 de communication sécurisée (typiquement par le protocole Transport Layer Security ou TLS), établie entre le terminal 12 et l'enclave 5 du noeud 2D distributeur.

[0041] A cet effet, l'enclave 5 peut être pourvue, dès son instanciation, d'une émulation d'interface 14 de communication supportant le protocole choisi (ici TLS) pour l'échange des données sécurisées

[0042] Une deuxième opération consiste, en application de la méthode du partage de clé secrète de Shamir, à fragmenter la donnée D informatique en un nombre prédéterminé N (N un entier, N ≥ 3) de fragments Di(i un entier, 1 ≤ i ≤ N) tel qu'un nombre prédéterminé K (K un entier, 2 ≤ K < N) de fragments Diest suffisant pour permettre une reconstitution de la donnée D.

[0043] A cet effet, l'enclave 5 est avantageusement pourvue d'un module 15 de calcul incluant un moteur 16 de fragmentation.

[0044] Une troisième opération consiste à désigner, parmi le réseau 1, un ensemble de N noeuds Si(1 ≤ i ≤ N) de stockage.

[0045] Une quatrième opération consiste à distribuer les N fragments Divers les N noeuds Side stockage, chaque noeud Side stockage recevant un unique fragment Di. A cet effet, l'enclave 5 est avantageusement pourvue d'un module 17 de distribution qui conduit ces opérations.

[0046] Les fragments Dipeuvent ainsi être conservés sur les noeuds Side stockage pendant une durée indéterminée, au moins tant que la reconstitution du secret D n'a pas été sollicitée.

[0047] Ponctuellement, ou régulièrement, la phase de contrôle vise à déterminer la fiabilité des noeuds Side stockage, et plus précisément à déterminer si des noeuds Side stockage (et lesquels) sont défaillants, c'est-à-dire que les fragments Diqu'ils sont censés stocker sans altération ont en fait été effacés ou altérés, ou encore que des noeuds Sisont hors ligne, et donc dans l'impossibilité de communiquer leur fragment Di- à supposer qu'ils l'aient conservé.

[0048] La phase de contrôle comprend une opération préliminaire consistant à désigner, parmi les noeuds 2 du réseau, un noeud 2C de contrôle équipé d'une unité de traitement informatique dans laquelle est implémentée une enclave 5 (FIG.3).

[0049] Cette enclave 5 est, tout d'abord, instanciée.

[0050] Dans l'enclave 5 se déroulent ensuite les opérations suivantes.

[0051] Une première opération consiste à charger les fragments Dià partir des nœuds Side stockage. A cet effet, l'enclave 5 est pourvue d'un module 18 de chargement.

[0052] Une deuxième opération consiste, pour chaque combinaison j (j un entier, ) de K fragments Di, à reconstituer une version Vjde la donnée.

[0053] A cet effet, l'enclave 5 est avantageusement équipée d'un module 19 de calcul pourvu d'un moteur 20 de défragmentation.

[0054] On a illustré sur laFIG.3les reconstructions de versions Vjde la donnée dans le cas (purement hypothétique et illustratif) où N = 6 et K = 3. Les valeurs Vjsont, à des fins illustratives, rassemblées dans la colonne droite d'une table dont la colonne gauche liste les combinaisons correspondantes des fragments Diavec 1 ≤ i ≤ 6.

[0055] Une quatrième opération consiste à identifier une première population POP1 de P (P un entier, P ≥ K) noeuds Side stockage dont les combinaisons des fragments Dicontribuent à reconstituer une même version D' de la donnée, dite version de référence.

[0056] Dans le cas illustré, on voit que : D' = V1= V3= V4= V6= V7= V10= V12= V13= V16= V19

[0057] D'où, ici : POP1 = {S1; S2; S3; S5; S6}

[0058] Les P nœuds de la première population POP1 sont déclarés intègres.

[0059] Une cinquième opération consiste à identifier une deuxième population POP2 de N-P noeuds Side stockage qui n'appartiennent pas à la première population POP1.

[0060] On voit ici, par exemple, que S4n'appartient pas à POP1. On voit effectivement dans la table de laFIG.4que le fragment D4(correspondant au noeud S4), que l'on a entouré d'un cercle pour une meilleure visualisation, est commun à toutes les combinaisons dont la version Vjreconstituée est différente de la valeur de référence.

[0061] Ainsi, dans le cas illustré : POP1 = {S4}

[0062] Les N-P noeuds de la deuxième population POP3 (ici S4) sont déclarés défaillants.

[0063] Le procédé proposé prévoit de remplacer les noeuds Sidéfaillants pour garantir la pérennité du stockage. Tel est l'objet de la phase de redistribution, qui comprend les opérations suivantes, conduites dans l'enclave du noeud2Cde contrôle.

[0064] Compte tenu de ce qui précède, la version D' de référence est considérée comme étant le secret à partager. A cet effet, pour conduire la phase de redistribution, l'enclave 5 du noeud 2C de contrôle se comporte de manière similaire - et remplit des fonctions similaires - à l'enclave 5 du noeud 2D de distribution.

[0065] Une première opération consiste par conséquent, en application de la méthode du partage de clé secrète de Shamir, à fragmenter le secret D' en un nombre prédéterminé N de nouveaux fragments D'itel qu'un nombre K de nouveaux fragments D'iest suffisant pour permettre une reconstitution du secret D'.

[0066] Une deuxième opération consiste à désigner, parmi le réseau 1, un nouvel ensemble de N noeuds Side stockage comprenant les P noeuds intègres (qui ont démontré leur fiabilité) et N-P nouveaux noeuds Side stockage, distincts des N - P noeuds Sidéfaillants (qui ont démontré leur manque de fiabilité).

[0067] Une troisième opération consiste à distribuer les N nouveaux fragments D'jvers les N noeuds Side stockage du nouvel ensemble, chaque noeud Side stockage recevant un unique nouveau fragment D'i.

[0068] Selon un mode préféré de réalisation, dans chaque noeud Siintègre, l'ancien fragment Diest remplacé par le nouveau D'i.

[0069] Ce procédé permet par conséquent de redistribuer le secret dès lors que des noeuds Side stockage apparaissent défaillants, au bénéfice de la fiabilité du stockage.

[0070] En outre, le fait que les données soient traitées au sein d'une enclave 5 évite que le secret, reconstitué temporairement pour les besoins du contrôle, soit accessible à des tiers.

Claims (2)

1. Procédé de stockage sécurisé d'une donnée D informatique au sein d'un réseau (1) informatique comprenant une pluralité de noeuds (2), ce procédé comprenant : A) Une phase de distribution, qui comprend les opérations consistant, à partir d'un nœud (2D) du réseau (1) dit nœud distributeur, équipé d'une unité (3) de traitement informatique dans laquelle est implémenté un environnement d'exécution sécurisé par cryptographie, dit enclave (5), à : - Instancier l'enclave (5) ; - Dans l'enclave (5) du noeud (2D) distributeur : o Créer ou charger la donnée D informatique ; o Fragmenter la donnée D informatique en un nombre prédéterminé N (N un entier, N ≥ 3) de fragments Di(i un entier, 1 ≤ i ≤ N) tel qu'un nombre prédéterminé K (K un entier, 2 ≤ K < N) de fragments Diest suffisant pour permettre une reconstitution de la donnée D ; o Désigner, parmi le réseau (1), un ensemble de N noeuds (Si) de stockage ; o Distribuer les N fragments Divers les N noeuds (Si) de stockage, chaque nœud (Si) de stockage recevant un unique fragment Di; B) Une phase de contrôle, qui comprend la désignation, parmi les noeuds (2) du réseau (1), d'un noeud (2C) de contrôle équipé d'une unité (3) de traitement informatique dans laquelle est implémentée une enclave (5) ; - Instancier l'enclave (5) ; - Dans l'enclave (5) du nœud (2C) de contrôle : o Charger les fragments Dià partir des nœuds (Si) de stockage ; o Pour chaque combinaison j (j un entier, ) de K fragments Di, reconstituer une version Vjde la donnée ; o Identifier une première population de P (P un entier, P ≥ K) noeuds (Si) de stockage dont les combinaisons des fragments Dicontribuent à reconstituer une même version D' de la donnée, dite version de référence ; o Déclarer intègres les P nœuds (Si) de cette première population ; o Identifier une deuxième population de N - P noeuds (Si) de stockage qui n'appartiennent pas à la première population ; o Déclarer défaillants les N-P noeuds (Si) de cette deuxième population ; o Fragmenter la version D' de référence de la donnée en un nombre prédéterminé N de nouveaux fragments D'jtel qu'un nombre K de nouveaux fragments D'jest suffisant pour permettre une reconstitution de cette version D'de référence de la donnée ; o Désigner, parmi le réseau (1), un nouvel ensemble de N nœuds (Si) de stockage comprenant les P noeuds (Si) intègres et N-P nouveaux noeuds (Si) de stockage distincts des N - P noeuds (Si) de stockage défaillants ; o Distribuer les N nouveaux fragments D'jvers les N nœuds (Si) de stockage du nouvel ensemble, chaque nœud (Si) de stockage recevant un unique nouveau fragment D'j.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans chaque noeud (Si) intègres, l'ancien fragment Diest remplacé par le nouveau D'i.