Brevet FR2889880A1 — publié le 20070223

SECURITE DE SESSION DES COMMUNICATIONS CRYPTOGRAPHIQUES Cette demande revendique le bénéfice de la demande provisoire U.S. n 60/620 122 déposée le 19 octobre 2004, qui est incorporée ci-après à titre de référence dans son intégralité. CONTEXTE Les modes de réalisation exemplaires décrits concernent un procédé de communications sécurisées par des moyens cryptographiques. Brève description des développements rapportés La cryptographie a pour objectif l'échange d'informations de telle sorte que le droit d'utilisation des informations est restreint de manière autonome à un destinataire unique visé. Historiquement, la sécurité d'un texte chiffré a résidé dans la dissimulation des procédures de chiffrement et de déchiffrement intacte. Des systèmes de cryptographie à clef publique sont un type bien connu de mécanismes destiné à protéger de manière sûre des informations numériques. Habituellement, des certificats de clef publique sont utilisés par des parties ou dispositifs échangeant des messages. D'autres structures de données, tel que des certificats d'attribut, peuvent être utilisés pour spécifier des informations autres que des clefs publiques de sorte que les informations peuvent être acheminées de manière fiable. Des certificats d'attributs, tel que connu dans l'art, peuvent être associés à une clef publique spécifique en liant les informations d'attribut (informations spécifiques), à la clef publique grâce au numéro de série d'un certificat de clef publique correspondant, ou à une empreinte numérique de la clef publique ou du certificat, ou une quelque autre manière appropriée. Ces types de systèmes permettent d'exposer l'algorithme de chiffrement et de déchiffrement sans comprendre la sécurité d'un code secret particulier. Dans un tel code secret, une clef est fournie conjointement avec le texte en clair en tant qu'une entrée de l'algorithme de chiffrement, et 30 conjointement avec les résultats de code secret dans l'entrée de l'algorithme de déchiffrement. Les algorithmes de chiffrement et de déchiffrement sont dans le domaine publique et ne sont pas secrets. La sécurité du code secret dépend entièrement de l'aspect confidentiel de la clef qui est composée à partir d'une chaîne aléatoire de bits. Avec la création de la clef secrète, une communication ultérieure entraîne l'envoi d'un code secret sur un réseau publique qui est vulnérable à un espionnage passif. Par conséquent, avant la création de la clef, les parties communicantes doivent utiliser un canal très sûr pour partager la clef commune. La capture d'un tel échange de clef peut être accomplie grâce à des mesures réalisées par un dispositif d'écoute électronique de cet échange réciproque de communication. En principe, une répartition de clef standard peut toujours être examinée minutieusement de manière passive sans que les véritables utilisateurs soient conscients qu'une surveillance frauduleuse a eu lieu. Il est proprement impossible d'établir une clef secrète avec des communications classiques, et une répartition de clef a ainsi reposé sur l'établissement d'un canal sûr physiquement ("messageries fiables") ou la sécurité conditionnelle de problèmes mathématiques "difficiles" en cryptographie de clefs publiques. Il serait avantageux de fournir un moyen anti-fraudes amélioré d'un 20 transfert de données entre des dispositifs. Un procédé de communications sécurisées par des moyens cryptographiques comporte la conversion des communications en états quantiques, l'observation des états quantiques, et la confirmation que les états observés égalent les états quantiques convertis. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les aspects précédents et d'autres caractéristiques de la présente invention sont expliqués dans la description suivante, prise conjointement avec les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente un schéma de principe d'un système approprié à la mise en pratique de l'invention; et la figure 2 représente un dispositif distant destiné à fonctionner à l'intérieur du système de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES La figure 1 représente un schéma de principe d'un système approprié à la mise en pratique de l'invention décrite ci-après. Bien que la présente invention sera décrite en se référant au mode de réalisation représenté sur les dessins, il devrait être compris que la présente invention peut être réalisée dans de nombreuses formes alternatives des modes de réalisation. De plus, une taille, une forme, ou un type d'organes ou de matériaux appropriés pourraient être utilisés. Un système 100 est un système destiné à fournir des services, par exemple, un système fournisseur de services postaux. Un système 100 comporte un ou plusieurs dispositifs distants, par exemple, des dispositifs de production ou de marquage d'affranchissement, représentés sur la figure 1 en tant qu'appareils de mesure 1151, ... 115n, et un centre de données distant, représenté de manière générale en tant qu'un serveur 135. L'échange de données sécurisées par des moyens cryptographiques est une caractéristique de la présente invention pour le centre de données et les dispositifs distants. La présente invention fournit une amélioration significative et radicale des mécanismes cryptographiques à clef publique, en mettant en place et en garantissant qu'un moyen anti-fraudes de transfert de données entre un dispositif destiné à affranchir et son centre de données distant associé est introduit. L'invention utilisera une cryptographie quantique en tant que moyen d'établir une session de communications sûre, après quoi le caractère privé et/ou la sécurité de l'échange de messages qui suivra sera garanti. Une caractéristique de la présente invention est de fournir une répartition sûre de clef de manière garantie à travers de communications quantiques. Les modes de réalisation décrits examinent la mise à disposition d'un système et d'un procédé de répartition de clef entre le dispositif destiné à affranchir et son centre de données distant qui est accomplie par une cryptographie quantique, et évite la transmission d'un message lui-même chiffré. Le terme de répartition de clef quantique (QKD) sera appliqué ici. La caractéristique primaire de sécurité d'une QKD est qu'il est impossible de "brancher ou mettre sur écoute" de signaux quantiques uniques. Une QKD résiste à l'interception et la retransmission d'un dispositif d'écoute électronique car en mécanique quantique, au contraire du monde classique, le résultat d'une mesure ne peut être pensé comme ayant une "valeur possédée" d'un état quantique. En se référant au principe d'incertitude d'Heisenberg, ledit principe garantit que les activités du dispositif d'écoute électronique doivent produire un changement irréversibles dans les états quantiques ("effondrement de la fonction d'onde") avant qu'elle ne soit retransmise vers le destinataire visé. Ces changements introduiront un taux d'erreur anormalement élevé dans les retransmissions entre l'expéditeur et le destinataire visé, leur permettant de détecter la tentative d'écoute électronique. Ainsi, les deux caractéristiques de sécurité importantes d'une QKD sont que des dispositifs d'écoute électronique ne peuvent acquérir de manière fiable un matériau de clef, et une tentative quelconque destinée à le faire pourra être détectée. Les modes de réalisation décrits sont destinés à éliminer la possibilité qu'un quelconque tiers ne faisant pas partie de l'échange de communication souhaité puisse imiter l'une ou l'autre entité ou tenter de compromettre le code secret en cours de communication entre les deux entités responsables d'origine. L'utilisation de la cryptographie pour un expéditeur et un destinataire visé est de permettre à ces entités de communiquer sous une forme qui soit inintelligible à des tiers, et de prouver pour l'authentification des messages qu'ils n'on pas été altérés dans le processus d'émission- réception. Ceci est accompli lorsque l'expéditeur et le destinataire sont en possession d'un matériau de "clef' secrète, partagée. Les modes de réalisation décrits tentent de parer au problème principal de la cryptographie, qui est le "problème de répartition de clef'. En d'autres termes, les modes de réalisation décrits permettent à l'expéditeur et au destinataire visé d'échanger un matériau de clef secrète, tout en garantissant que des tiers ("dispositif d'écoute électronique") ne peuvent acquérir des informations. Les modes de réalisation décrits fournissent une répartition sûre de clef utilisant des communications quantiques. Ainsi, le dispositif 115 distant mentionné précédemment et le centre 135 de données distant peuvent échanger des données sécurisées par des moyens cryptographiques sans craindre qu'un tiers réussisse une écoute électronique des transmissions. Dans un mode de réalisation, un centre 135 de données peut communiquer avec les dispositifs 1151, ... 115n distants en échangeant des photons, ou en mesurant ou en observant des photons émis par le centre de données ou le dispositif distant. D'autres types de communication sont également envisagés. Le centre 135 de données comporte généralement un processeur 105, une mémoire 110, et une base de données 130 destinés à mémoriser des informations. Le processeur 105 fonctionne généralement sous le contrôle de programmes mémorisés dans la mémoire 110 pour gérer des opérations du centre 135 de données. Le centre 135 de données fournit généralement des mises à jour, des programmes qui permettent une fonctionnalité additionnelle, des programmes de remplacement, des tables de données et d'autres données et informations aux dispositifs 1151, ... 115n distants. De plus, le centre 135 de données peut recueillir des données provenant des dispositifs 1151, ... 115 distants, fournir des services de rapport et de comptabilité, et échanger des données sûres de manière cryptographique avec les dispositifs distants. Le centre 135 de données peut être couplé à un réseau 120 de communications de données. Un réseau 120 de communications de données peut comporter un réseau de communications quelconque approprié, par exemple, le réseau téléphonique publique commuté (RTPC), un réseau sans fil, un réseau câblé, un réseau local d'entreprise (RLE), un réseau étendu (RE), un réseau privé virtuel (RPV) etc. Le centre 135 de données peut communiquer avec des dispositifs 1151, ... 115 distants en utilisant un protocole approprié quelconque, ou un standard de modulation, par exemple, X.25, ATM, TCP/IP, V34, V90, etc. Lorsqu'un réseau 120 de communications de données est mis en oeuvre en tant que réseau sans fil, il incorpore généralement une interface aérienne utilisant un protocole de communication sans fil quelconque approprié ou des techniques ou standard de signalisation, par exemple, AMRT, AMRC, IEEE 802.11, Bluetooth, RF courte portée, optique, des standards de communications satellitaires quelconques appropriés, etc. Le centre 135 de données a également une interface 140 qui fournit des communications à photon tel que décrit ici. La figure 2 représente un schéma de principe général d'un dispositif 115 distant. Les dispositifs 1151, ... 115 fournissent généralement des services à un ou plusieurs clients. Dans un mode de réalisation, les dispositifs distants peuvent fournir un affranchissement qui a une valeur, par exemple, des frais d'expédition, des tickets permettant l'entrée à un événement ou permettant l'utilisation d'un service, etc. Un dispositif 115 distant peut comporter un pont de communication 117 qui fournit des communications à photon tel que décrit ci-après. Un dispositif distant peut également comporter un microprocesseur 118 destiné à réaliser des fonctions de comptabilité, de commande et de manipulation selon des programmes mémorisés dans un dispositif 119 de mémorisation. Certaines de ces fonctions ou sous ensembles de ces fonctions peuvent être groupés à l'intérieur d'un périmètre sécurisé comme ce que l'on désigne habituellement par un dispositif de sécurité postal PHOTON (DPS). Le dispositif 119 de mémorisation mémorise généralement un code de programme lisible par une machine qui est adaptée afin d'amener le microprocesseur 118 à réaliser des fonctions associées à la mise à disposition de services, par exemple, la production d'affranchissements. Le dispositif de mémorisation peut également comporter des programmes destinés à gérer des communications sécurisées par des moyens cryptographiques entre un dispositif 115 distant et un centre 135 de données. Le dispositif 119 de mémorisation peut utiliser des dispositifs optiques, magnétiques, semi-conducteurs, électroniques, ou d'autres types appropriés afin de mémoriser le code de programme. Afin d'empêcher d'autres entités de réussir à répondre, en corrompant l'échange de clef chiffrée et/ou signée numérique entre un dispositif destiné à affranchir et son centre de données distant, une cryptographie quantique sera mise en oeuvre pour établir la clef secrète devant être utilisée entre le dispositif distant et le centre des données pour garantir une session de communication sûre. Une fois la clef secrète établie entre le dispositif distant et le centre des données, ladite clef secrète sera désormais utilisée en tant que clef avec laquelle les communications seront chiffrées entre les entités de communication. Cette invention fournit un système cryptographique destiné à la répartition d'une clef cryptographique aléatoire secrète entre le dispositif destiné à affranchir et un centre de données distant qui ne partage aucune information d'utilisation avec un dispositif d'écoute électronique ayant une puissance de calcul illimitée. Une fois la clef secrète établie, elle sera utilisée avec des méthodologies cryptographiques existantes telles que RSA, DSA, ou Courbes Elliptiques, pour permettre au dispositif distant et au centre de données de communiquer avec un degré de sécurité inconditionnel. L'utilisation desdites méthodologies pourverra l'authenticité des échanges de données entre le dispositif distant et le centre de données [REMARQUE: l'utilisation du terme "centre de données" peut également signifier "infrastructure", "hôte", "serveur"] par le biais de procédures à signature numérique prévues par lesdites méthodologies cryptographiques. La clef secrète utilisée pour le chiffrement des messages au cours de la session de communications peut être appliquée au schéma de chiffrement Vernam en temps réel (désigné comme "bloc à usage unique"). La clef quantique est formée au cours de la transmission à photon, et le chiffre Vernam est invulnérable à une attaque informatique quelconque d'une force quelconque. Ainsi, lorsqu'elle est appliquée à l'établissement de communications sécurisées entre le dispositif distant et le centre de données, la cryptographie quantique peut remplacer l'algorithme d'échange de clef de Diffie-Hellman. Après la répartition de clef secrète quantique, une technique de chiffrement/déchiffrement conventionnelle est utilisée sur des lignes de fibres opérateurs standard ou dans les airs. La clef secrète est choisie grâce à un processus quantique aléatoire plutôt qu'être fixée grâce à un générateur de nombres aléatoires, la probabilité de percer un algorithme de chiffrement habituel à l'aide des calculs est ainsi évitée. Différents états quantiques sont utilisés, tel que la polarisation photonique, pour représenter des uns et des zéros d'une manière qui ne peut être observée sans le récepteur détectant l'observation. L'approche ci-dessous d'une transmission quantique d'information englobe le dispositif distant ou centre de données (l'entité établissant les communications) qui code des informations dans des états quantiques, l'entité opposée observant les états et rapportant publiquement à l'expéditeur les états observés. Le dispositif distant et le centre de données s'accordent sur un contenu d'informations à partager. Etant donné qu'une cryptographie quantique ne dépend pas de problèmes mathématiques difficiles pour sa sécurité, elle n'est pas menacée par le développement d'ordinateur quantique. Une cryptographie quantique accomplit ceci en exploitant les propriétés d'objets microscopiques tels que des photons. Des photons peuvent être mesurés pour déterminer leur orientation relativement à une ligne de base d'orientation de polarisation. Des photons sont des objets quantiques et ont une propriété uniquement après qu'ils ont été mesurés, et le type de mesure a un effet sur la propriété que l'on a trouvé à l'objet. Ceci implique qu'un photon peut uniquement être considéré comme ayant une polarisation particulière après qui a été mesuré, et que la base choisie pour la mesure aura un effet sur la polarisation que l'on a trouvé au photon. Un photon est envoyé au travers d'un appareil afin de mesurer son orientation relativement à un système à coordonnées rectilignes. Ceci résout la question concernant la manière dont le photon est orienté relativement à 2889880 9 un système à coordonnées rectilignes . Le photon est polarisé soit verticalement soit horizontalement il existe uniquement deux possibilités. Supposons que le photon est mesuré avec une polarisation horizontale. Ce même photon est ensuite envoyé à travers d'un appareil pour mesurer son orientation relativement à un système à coordonnées diagonales. La question concerne désormais la "manière dont le photon est orienté relativement à un système à coordonnées diagonales". Le photon est polarisé soit à 45 soit à 135 - il existe uniquement deux possibilités. Le type de mesure a un effet sur la propriété que l'on va trouvé. Le fait qu'un photon orienté horizontalement peut ultérieurement être mesuré avec une polarisation à 45 se produit car l'état de polarisation horizontale est en réalité une superposition des deux états de polarisation diagonale. Tous les états de polarisation sont en réalité des superpositions d'autres états de polarisation. Une fois la mesure de la diagonale réalisée, toutes les informations concernant la "propriété" précédente de polarisation horizontale du photon a disparu. En conséquence, il peut être très difficile de déterminer des polarisations rectiligne et diagonale du photon au même moment. La transmission d'information qui mène à l'établissement de la clef secrète entre le dispositif distant et le centre de données suivrait un processus caractérisé par le protocole utilisant les bases de polarisations rectiligne et circulaire pour des photons. Des étapes exemplaires d'un protocole sont décrites par la suite, utilisant par convention le dispositif (PD) en tant qu'expéditeur, et le centre des données (DC) en tant que récepteur, et un pirate informatique (H) est le dispositif d'écoute électronique. 1. PD prépare des photons de manière aléatoire avec une polarisation rectiligne ou circulaire. 2. PD enregistre la polarisation de chaque photon et l'envoie ensuite à DC. 3. DC reçoit chaque photon et mesure de manière aléatoire sa 30 polarisation selon une base rectiligne ou circulaire. DC enregistre le type de mesure (base utilisée) et la polarisation mesurée qui en résulte. Il est important de se rappeler que la polarisation envoyée par PD peut ne pas être la même que la polarisation trouvée par DC si DC n'utilise pas la même base que PD. 4. DC informe publiquement PD de quel type de mesure il s'agissait, 5 mais ne communique pas les résultats des mesures. 5. PD informe publiquement DC quelles mesures étaient du type correct. Une mesure correcte est du type correcte si DC, pour la base de mesure ce que PD, a utilisé pour la préparation.. 6. PD et DC rejettent tous deux les données de mesure qui n'étaient pas du type correcte et convertissent les données restantes en une chaîne de bits en utilisant une convention tel que noté dans le tableau 1. En utilisant un programme de démonstration en ligne (Henle, 2002), les données d'exemple suivant ont été générées en supposant que PD envoie 12 photons. L'appareil qui mesure une polarisation rectiligne sera noté "+". Une polarisation verticale égalera un "un" binaire et une polarisation horizontale égalera un "0" binaire. L'appareil qui mesure une polarisation circulaire sera noté "o". Une polarisation circulaire à gauche égalera un "0" binaire et une polarisation circulaire à droite égalera un "1" binaire. Le tableau 1 synthétise le développement de la clef secrète final. Etape Description 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Filtres utilisés par PD pour préparer des photons + + o + o o o 2 Polarisations de photons envoyés par PD V H H H R L R H Mesures réalisées par DC 5 + + o Résultats des mesures de DC V H H H H L R H DC informe publiquement PD du type de mesure réalisée sur chaque photon + o o + 15 PD informe publiquement DC des mesures qui étaient du type correct oui oui non oui oui non PD et DC conservent chacun uniquement les données des mesures correctes et les convertissent en binaire 1 0 1 0 1 0 1 tableau 1 La chaîne de bits maintenant détenue par PD et DC est: 1 0 0 1 0 1 0 1. H n'a aucun moyen de connaître la chaîne de bits. Cette chaîne de bits forme la clef secrète. En pratique, le nombre de photons envoyés et la longueur résultante de la chaîne de bits serait bien plus important. Le système crypto-quantique est expliqué dans l'exposé suivant: le système comporte un émetteur et un récepteur. Le dispositif distant peut utiliser l'émetteur pour envoyer des photons selon quatre polarisations: 0, 45, 90, ou 135 degrés. Le centre de données, à l'autre extrémité, utilise un récepteur pour mesurer la polarisation. Selon les lois de la mécanique quantique, le centre de données peut faire la distinction entre des polarisations rectilignes (0 et 90), ou il peut être reconfiguré pour distinguer des polarisations diagonales (45 et 135) ; il ne peut cependant jamais distinguer les deux types. La répartition de clef requiert plusieurs étapes (voir le tableau 1). L'émetteur du dispositif distant envoie des photons avec l'une des quatre polarisations qui sont choisies de manière aléatoire. Pour chaque photon entrant, le récepteur de centre de données choisit aléatoirement le type de mesure (soit le type rectiligne soit le type diagonal). Le récepteur de centre de données enregistre les résultats des mesures mais les conserve secrètes. Ultérieurement, ledit récepteur annonce publiquement le type de mesure (mais non les résultats) et le dispositif distant informe ledit récepteur des mesures qui étaient du type correct. Les deux parties (le dispositif distant et le centre de données) conservent tous les cas dans lesquels les mesures de récepteur étaient du type correcte. Ces cas sont ensuite traduits en bit (en 1 et en 0) et deviennent ainsi la clef. Un dispositif d'écoute électronique introduira de manière certaine des erreurs dans cette transmission car il/elle ne connaît pas à l'avance le type de polarisation de chaque photon et la mécanique quantique ne lui permet pas d'acquérir des valeurs précises de deux variables observables nonalternantes (ici, des polarisations rectilignes et diagonales). Les deux utilisateurs légitimes du canal quantique essaient une détection d'écoute électronique en divulguant un sous ensemble aléatoire des bits de clef et en vérifiant (publiquement) le taux d'erreur. Bien qu'ils ne peuvent empêcher une écoute électronique, ils ne seront jamais trompés par un dispositif d'écoute électronique car tous les efforts destinés à "se brancher" sur le canal seront détectés. Dès qu'ils ne sont pas satisfaits de la sécurité du canal, ils peuvent tenter de mettre de nouveau en place la répartition de clef. La chaîne de bits détenue maintenant par PD et DC (voir le tableau 1) devient la clef avec laquelle les communications seront chiffrées entre le dispositif principal et son centre de données à distance. Il devrait être entendu que la description précédente est uniquement illustrative de l'invention. Diverses alternatives et modifications peuvent être imaginées par l'homme du métier sans s'écarter de l'invention. Par conséquent, la présente invention est destinée à intégrer de telles alternatives, modifications et différences qui entrent dans la portée des revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé de communications sécurisées par des moyens cryptographiques, comprenant: la conversion des communications en états quantiques; l'observation des états quantiques; et la confirmation que les états observés égalent les états quantiques convertis.