Brevet FR3133506A1 — publié le 20230915

Méthode de distribution de clés secrètes sûres pour une constellation (C) de satellites à l’aide d’une station de communication (SC), ladite méthode comprenant les étapes suivantes : échanger au moins une clé secrète , entre la station de communication (SC) et un satellite via un canal quantique (CQ SI ) chaque clé secrète étant destinée à la communication sécurisée du satellite avec un satellite respectif de la constellation, ladite au moins une clé secrète formant lesdites clés secrètes sures ; pour chaque B1- échanger une clé secrète de chiffrage , entre la station de communication (SC) et le satellite via un canal quantique (CQ SJ ) ; B2- chiffrer la clé secrète par une méthode de chiffrement qui utilise la clé secrète de chiffrage , de manière à produire un message crypté et transmettre par un canal authentifié de la station de communication (SC) au satellite , ledit message crypté . Figure pour l’abrégé : Fig. 3A Procédé et dispositif de distribution de clés secrètes dans une constellation de satellite La présente invention concerne le domaine de la sécurité des technologies de l’information et plus particulièrement le domaine de la distribution de clé par satellites via des canaux quantiques. Depuis toujours, il existe la nécessité d’échanger, par un canal de communication public, des informations sensibles qui doivent rester secrètes. Supposons que deux personnes, Alice et Bob, souhaitent échanger, au travers d’un canal de communication public authentifié (par exemple internet), des informations sensibles à l’abri des regards indiscrets. Pour cela ils doivent chiffrer leurs messages. Appelons Eve, la personne qui souhaite intercepter ces messages. Alice doit, à l’aide d’une fonction cryptographique publiée (c’est à dire non secrète) et d’une clé secrète, chiffrer ses messages avant de les envoyer à Bob au travers d’un canal public. Lorsque Bob reçoit les messages chiffrés, il doit, à l’aide de la même fonction cryptographique et de la même clé secrète qu’Alice, les déchiffrer pour pouvoir accéder aux informations en clair. Se pose maintenant le problème de la clé secrète partagée entre Alice et Bob : comment est-elle générée, comment est-elle échangée de façon sécurisée et à l’abri des regards indiscrets ? Lors des échanges sécurisés sur internet, l’établissement d’une clé secrète partagée est effectué à l’aide de techniques reposant sur la cryptographie à clé publique que nous ne détaillons pas ici. Une nouvelle solution a été imaginée à la fin du XXème siècle. Elle propose d’utiliser un canal quantique qui permet à Alice et à Bob d’établir une clé secrète commune en échangeant des particules quantiques (ex : des photons) sans qu’Eve ne puisse remonter à la clé. Néanmoins, cette technique de distribution des clés par des canaux quantiques (QKD en anglais pour Quantum Key Distribution) souffre de quelques limitations qui rendent difficile son application à un grand nombre d’utilisateurs et sur de très longues distances. Ce qui pourrait, à terme, rendre cette technique peu attractive et donc pas assez rentable pour générer des opportunités industrielles. La représente schématiquement l’architecture d’un canal quantique qui permet, à deux utilisateurs Alice (l’émetteur du code) et Bob (le récepteur du code), d’établir une clé secrète commune. La clé est une séquence de bits, aléatoires, pouvant donc prendre comme valeur 0 ou 1. Pour transmettre cette clé, Alice encode chaque bit de la clé selon deux modes de polarisation d’un photon préparé par Alice, le choix du mode de polarisation est aléatoire (qbits). Alice note pour chaque bit (donc chaque photon) le mode de polarisation aléatoirement choisi. A l’aide d’un filtre polarisant et d’un détecteur de photons pouvant être orienté alternativement selon deux modes de polarisation choisis aléatoirement, Bob note le résultat de détection (le photon a passé le filtre, ou le photon n'a pas passé le filtre), ainsi que l'orientation choisie du filtre. Une fois toute la séquence de qbits transmise, Alice envoie à Bob les modes de polarisation employés pour chaque qbit par un canal clair authentifié. Bob peut alors déduire la valeur des bits pour lesquels l'orientation de polarisation a été la même. Il connaît alors avec certitude N bits en moyenne pour 2N bits transmis par Alice, cette séquence étant appelée clé réconciliée. Enfin, Alice et Bob se mettent d'accord sur un sous-ensemble de la clé réconciliée (étape de réconciliation). Ils comparent alors s'ils ont obtenu les mêmes bits dans ce sous-ensemble : si oui, ils utilisent le reste de la clé pour dériver une clé cryptographique. S'il y a un désaccord, le processus est recommencé. En effet, le théorème de non clonage garantit qu'en cas d'écoute, Eve force le photon sur un mode de polarisation (qui n'est pas forcément celui d'Alice). Alors, si Eve devine correctement le mode d'Alice avec une probabilité de 50 %, alors 25 % des bits de la clé de réconciliation seront en désaccord. De manière générale, en sacrifiant n bits de la clé de réconciliation, Alice et Bob peuvent détecter un éventuel espion sur le canal avec une probabilité de . Au niveau des réseaux sols, l’échange de clé (ou plus précisément : l’établissement de clé) par un canal quantique se fait simplement, via un canal de communication optique porté par de la fibre optique. Néanmoins, l’échange de photons polarisés uniques (ou d’impulsions lumineuses de très faible intensité) au travers d’une fibre ne permet pas, à Alice et à Bob, d’échanger ces photons au-delà d’une certaine limite de distance (à ce jour environ 100 km) qui représentent l’asymptote de probabilité d’absorption à 100% des photons par le matériau qui compose la fibre optique. En conséquence, l’architecture des réseaux de canaux quantiques est fortement impactée par cette contrainte physique. Deux solutions ont été imaginées pour palier à cette limitation de distance. La première solution envisagée est de propager les clés par des nœuds dits "de confiance" (ou "trusted nodes") placés à intervalles réguliers (tous les 100 kilomètres par exemple). La figure 2A illustre schématiquement un dispositif de génération de clé par nœud de confiance connu de l’art antérieur. Le nœud de confiance manipule en clair la clé établie avec Alice (Clé A) et la clé établie avec Bob (Clé B). Ce nœud de confiance est positionné entre Alice et Bob et permet d’allonger la portée d’établissement de clé par canaux quantiques. Ensuite, le nœud de confiance s’appuie sur la technique du masque jetable pour transmettre cette clé A à Bob. Pour cela, le nœud de confiance effectue un « XOR » (porte logique OU exclusif) entre la clé d’Alice et la clé de Bob. Par « XOR », on entend ici et dans la suite du document le fait de combiner deux clés par la porte logique « ou exclusif » ou « XOR », de symbole . Le résultat est transmis à Bob par un canal clair authentifié. Bob, qui détient la clé B, pourra de nouveau effectuer un XOR entre la séquence reçue du nœud n°2 et sa clé (Clé B) pour recouvrer la clé d’Alice (Clé A). Cette première solution repose sur la propriété de la fonction XOR : A B B = A (B B) =0 = A mais aussi sur la technique de chiffrement par masque jetable (OTP en anglais pour One Time Pad cryptography) qui garantit qu’il n’est pas possible de remonter à la clé A et/ou à la clé B par la seule connaissance de la séquence Clé A Clé B. La technique du masque jetable repose sur le principe suivant. Tout message qui doit être chiffré le sera par une clé strictement aléatoire, de la taille du message et qui sera combinée au message clair pour aboutir au message chiffré. Le déchiffrement sera effectué en effectuant l’opération inverse sur le message chiffré en utilisant la même clé secrète. Cette technique a été démontré théoriquement sûre par Claude Shannon, et ce, quels que soient les moyens dont dispose l’attaquant à condition de respecter 3 règles absolument fondamentales : La clé doit être aussi longue que le message à chiffrer, La clé doit être strictement aléatoire, les éléments qui constituent la clé (bits ou caractères) de la clé doivent tous être indépendant les uns des autres. Chacune des clés (ou masque) ne doit être utilisée qu’une seule fois pour chiffrer un seul message. Néanmoins, cette première solution requiert que les nœuds de confiance, qui manipulent les clés en clair, soient sécurisés avec un très fort niveau de sécurité qui implique des surcoûts et des contraintes opérationnelles non négligeables. Ensuite, ce type de solution est difficile, voire impossible, à mettre en place pour interconnecter deux utilisateurs séparés par un océan (difficile et couteux d’implémenter régulièrement des nœuds de confiance sous l’océan). La deuxième solution est de procéder à des échanges de photons en champ libre et donc depuis l’espace. Dans ce cas, la limite de distance de la fibre optique n’est plus applicable et il est possible de distribuer à deux utilisateurs localisés n’importe où sur terre des clés de chiffrement par l’intermédiaire de canaux QKD depuis l’espace. Cette configuration est illustrée dans la figure 2B. Dans ce cas, c’est le satellite qui fait office de nœud de confiance puisqu’il va établir une clé A avec Alice et une clé B avec Bob pour ensuite transmettre à Bob la clé A clé B sur un canal de communication classique clair et authentifié. Au sol, Bob, détenteur de la clé B, sera capable d’extraire la clé A d’Alice en effectuant un XOR de la clé B avec la séquence Clé A Clé B que le satellite lui aura redescendu. Ici, le satellite, s’il est en orbite basse se déplace relativement à Alice et relativement à Bob. Donc, quelle que soit la distance qui sépare Alice et Bob, le satellite agit comme un nœud de confiance mobile capable d’établir la Clé A et la Clé B et de distribuer la combinaison Clé A Clé B qui permettent à Alice et à Bob de partager une clé secrète commune (Clé A). Cependant, cette deuxième solution fonctionne avec un seul satellite. Or, il peut être nécessaire de sécuriser les liaisons inter-satellites (ou ISL ou « inter-satellite link » en anglais) radiofréquence (RF) ou optique dans une constellation de satellites. Par « constellation de satellites », on entend ici une pluralité de satellites coordonnés et travaillant de concert échangeant des informations entre eux et/ou via un station de contrôle. En effet, ces liaisons sont vulnérables à l’écoute et l’interception des messages numériques véhiculés entre deux satellites par ces ISL (en particulier les ISL intra-plan orbital). Un satellite « espion » sur la même orbite et placé entre deux satellites de la constellation peut écouter les signaux échangés entre ces deux satellites par ladite liaison inter-satellite. Les solutions connues pour l’échange des clés secrètes entre les satellites sont: Enregistrer avant le lancement des satellites une base de données de clés sécrètes qui seront utilisées durant la vie du satellite. Cette solution requiert cependant un très grand volume de clé à stocker et implique un risque de compromission des clés durant la vie du satellite. Echanger les clés secrètes entre deux satellites voisins en utilisant la liaison inter-satellite et propager de proche en proche toutes les clés secrètes par QKD. Cependant, cette méthode nécessite la distribution de proche en proche. Il y a donc l’inconvénient que chaque satellite faisant office de relais doit être un nœud de confiance pour l’échange de clés entre les deux satellites. La illustre cet exemple, avec trois satellites A, B et C formant une constellation, le satellite B faisant office de nœud de confiance pour propager les clés secrètes entre A et C par les liaisons ISL A-B et ISL B-C. L’invention vise à pallier certains problèmes de l’art antérieur. A cet effet, un objet de l’invention est un système et une méthode de distribution de clés secrètes sûres pour une constellation de satellites à l’aide d’une station de communication. A la différence des méthodes de l’art antérieur, une seule station de communication est utilisée pour échanger des clés secrètes sûres avec un satellite, chacune des clés secrètes sûres étant destinée à la communication sécurisée du satellite avec un autre satellite respectif de la constellation. L’établissement des clés secrètes sûres est réalisée par QKD afin de rendre la solution de l’invention inconditionnellement sûre. A cet effet, un méthode de distribution de clés secrètes sûres pour une constellation de satellites à l’aide d’une station de communication, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : échanger au moins une clé secrète , entre la station de communication et un satellite via un canal quantique chaque clé secrète étant destinée à la communication sécurisée du satellite avec un satellite respectif de la constellation, ladite au moins une clé secrète formant lesdites clés secrètes sures ; pour chaque B1- échanger une clé secrète de chiffrage , entre la station de communication et le satellite via un canal quantique; B2- chiffrer la clé secrète par une méthode de chiffrement qui utilise la clé secrète de chiffrage , de manière à produire un message crypté et transmettre ledit message crypté par un canal authentifié de la station de communication au satellite . Selon un mode de réalisation préférée, la méthode de l’invention comprend une étape ultérieure C, consistant à : déchiffrer, dans chaque satellite le message crypté à l’aide de la clé secrète de chiffrage associée au satellite , de manière à obtenir la clé secrète destinée à la communication sécurisée du satellite avec le satellite respectif. De manière préférentielle, dans laquelle ladite méthode de chiffrement est la méthode du masque jetable et dans laquelle chaque clé secrète sûre, chaque clé secrète de chiffrage, et chaque message cryptés sont codées en binaire, la génération de chaque message crypté étant réalisée par la porte logique XOR combinant, la clé secrète de chiffrage et la clé secrète , le déchiffrement de chaque message crypté étant réalisé par la porte logique XOR combinant le message crypté et la secrète de chiffrage KEK j . Selon un mode de réalisation préféré, la méthode de l’invention comprend une étape ultérieure D, consistant à chiffrer, dans le satellite , un message non aléatoire à l’aide d’une clé sécrète sûre puis à transmettre le message non aléatoire chiffrée vers dans le satellite et comprenant une étape ultérieure E, consistant à déchiffrer ledit message non aléatoire chiffré à l’aide de la clé secrète sûre . Selon un mode de réalisation préféré, les étapes A, B2, et C sont répétées fois avec un même , afin de former jeux de clé(s) secrète(s) sûre(s) chacun destiné à sécuriser une communication du satellite avec la ou les satellites . De manière préférentielle, est inférieur à un nombre dit critique calculé à partir d’une crypto-période des clés secrètes de chiffrage . Selon un mode de réalisation préféré, les étapes A, B2, et C sont répétées fois en variant à chaque itération tel que , afin de former une pluralité de jeux de clé(s) secrète(s) sûre(s) chacun destiné à sécuriser une communication d’un satellite avec la ou les satellites . Selon un mode de réalisation de l’invention, l’étape A requiert une sous étape de réconciliation via un canal de réconciliation reliant ladite station de communication et le satellite , et chaque étape B1 requiert une sous étape de réconciliation via un canal de réconciliation reliant ladite station de communication et le satellite respectif. De manière préférentielle, chaque canal de réconciliation est aussi une liaison bidirectionnelle de télémesure/télécommande du satellite respectivement relié par ce canal. De manière préférentielle, au moins un canal de réconciliation est relayée par au moins un satellite de la constellation via des liaisons inter-satellites. De manière préférentielle, dans laquelle chaque canal authentifié est un canal de réconciliation reliant ladite station de communication et le satellite respectif. De manière préférentielle, chaque canal de réconciliation est aussi une liaison bidirectionnelle de télémesure/télécommande du satellite respectivement reliés par ce canal. Un autre objet de l’invention est une station de communication de distribution de clés secrètes sûres pour une constellation de satellites ladite station de communication étant adaptée pour échanger au moins une clé secrète via un canal de quantique entre le satellite et ladite station de communication, chaque clé secrète étant destinée à la communication sécurisée du satellite avec un satellite respectif de la constellation, ladite au moins une clé secrète formant lesdites clés secrètes sures, ladite station de communication étant adaptée pour : pour chaque : échanger une clé secrète de chiffrage via un canal de cryptage entre le satellite et ladite station de communication ; chiffrer la clé secrète par une méthode de chiffrement qui utilise la clé secrète de chiffrage , de manière à produire un message crypté et transmettre par un canal authentifié de la station de communication au satellite , ledit message crypté . Un autre objet de l’invention est un système comprenant la station de communication selon la revendication précédente et comprenant les satellites, chaque satellite étant adapté pour déchiffrer, le message crypté à l’aide de la clé secrète de chiffrage associée au satellite de manière à obtenir dans le satellite la clé secrète destinée à la communication sécurisée du satellite avec le satellite . De manière préférentielle, la station de communication est embarquée sur un satellite additionnel en orbite autour de la terre, ledit satellite additionnel étant différent des satellites de la constellation. De manière préférentielle, le satellite additionnel est sur une orbite dont une altitude est supérieure à celle d’une orbite des satellites de la constellation. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : une vue schématique d’un dispositif de QKD selon l’art antérieur, , une vue schématique d’un dispositif de génération de clé par nœud de confiance de l’art antérieur, , une vue schématique d’un dispositif de génération de clé par QKD par satellite de l’art antérieur, , une vue schématique d’un dispositif de génération de clé par satellite en tant que nœud de confiance de l’art antérieur, , une vue schématique d’un système de distribution de clés secrètes selon l’invention, , une vue schématique d’une méthode de génération de clés secrètes sûres selon l’invention, , une vue schématique d’une méthode de génération d’une clé secrète sûre selon un mode de réalisation préféré de la méthode de l’invention , une vue schématique d’une méthode de génération d’une clé secrète sûre selon un mode de réalisation préféré de la méthode de l’invention , une vue schématique d’un système de distribution de clés secrètes selon un mode de réalisation de l’invention, , une vue schématique d’un système de distribution de clés secrètes selon un mode de réalisation de l’invention, , une vue schématique d’un système de distribution de clés secrètes selon un mode de réalisation de l’invention, Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. Méthode de distribution de clés secrètes sûres pour une constellation (C) de satellites à l’aide d’une station de communication (SC), ladite méthode comprenant les étapes suivantes : échanger au moins une clé secrète , entre la station de communication (SC) et un satellite via un canal quantique (CQ S1 ) chaque clé secrète étant destinée à la communication sécurisée du satellite avec un satellite respectif de la constellation, ladite au moins une clé secrète formant lesdites clés secrètes sures ; pour chaque B1- échanger une clé secrète de chiffrage , entre la station de communication (SC) et le satellite via un canal quantique (CQ S2, CQ S3 ) ; B2- chiffrer la clé secrète par une méthode de chiffrement qui utilise la clé secrète de chiffrage , de manière à produire un message crypté et transmettre ledit message crypté par un canal authentifié de la station de communication (SC) au satellite . Méthode selon la revendication précédente, ladite méthode comprenant une étape ultérieure C, consistant à : déchiffrer, dans chaque satellite le message crypté à l’aide de la clé secrète de chiffrage associée au satellite , de manière à obtenir la clé secrète destinée à la communication sécurisée du satellite avec le satellite respectif. Méthode selon la revendication 2, dans laquelle ladite méthode de chiffrement est la méthode du masque jetable et dans laquelle chaque clé secrète sûre, chaque clé secrète de chiffrage, et chaque message cryptés sont codées en binaire, la génération de chaque message crypté étant réalisée par la porte logique XOR combinant, la clé secrète de chiffrage et la clé secrète , le déchiffrement de chaque message crypté étant réalisé par la porte logique XOR combinant le message crypté et la secrète de chiffrage KEKj. Méthode selon l’une quelconque des revendications 2 à 3, comprenant une étape ultérieure D, consistant à chiffrer, dans le satellite , un message non aléatoire (M) à l’aide d’une clé sécrète sûre puis à transmettre le message non aléatoire chiffrée (MC) vers dans le satellite et comprenant une étape ultérieure E, consistant à déchiffrer ledit message non aléatoire chiffré à l’aide de la clé secrète sûre . Méthode selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle les étapes A, B2, et C sont répétées fois avec un même , afin de former jeux de clé(s) secrète(s) sûre(s) chacun destiné à sécuriser une communication du satellite avec la ou les satellites . Méthode selon la revendication précédente, dans laquelle est inférieur à un nombre dit critique calculé à partir d’une crypto-période des clés secrètes de chiffrage . Méthode selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle les étapes A, B2, et C sont répétées fois en variant à chaque itération tel que , afin de former une pluralité de jeux de clé(s) secrète(s) sûre(s) chacun destiné à sécuriser une communication d’un satellite avec la ou les satellites . Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’étape A requiert une sous étape de réconciliation via un canal de réconciliation ( reliant ladite station de communication et le satellite , et chaque étape B1 requiert une sous étape de réconciliation via un canal de réconciliation , reliant ladite station de communication et le satellite respectif. Méthode selon la revendication précédente, dans lequel chaque canal de réconciliation est aussi une liaison bidirectionnelle de télémesure/télécommande du satellite respectivement relié par ce canal. Méthode selon la revendication 8 ou 9, dans lequel au moins un canal de réconciliation ( est relayée par au moins un satellite ( de la constellation via des liaisons inter-satellites ( . Méthode selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans laquelle chaque canal authentifié est un canal de réconciliation reliant ladite station de communication et le satellite respectif. Méthode selon la revendication précédente, dans lequel chaque canal de réconciliation est aussi une liaison bidirectionnelle de télémesure/télécommande du satellite respectivement reliés par ce canal. Station de communication (SC) de distribution de clés secrètes sûres pour une constellation (C) de satellites ladite station de communication étant adaptée pour échanger au moins une clé secrète via un canal de quantique (CQS1) entre le satellite et ladite station de communication (SC), chaque clé secrète étant destinée à la communication sécurisée du satellite avec un satellite respectif de la constellation, ladite au moins une clé secrète formant lesdites clés secrètes sures, ladite station de communication étant adaptée pour : pour chaque : échanger une clé secrète de chiffrage via un canal de cryptage (CQ S2 , CQ S3 ) entre le satellite et ladite station de communication (SC); chiffrer la clé secrète par une méthode de chiffrement qui utilise la clé secrète de chiffrage , de manière à produire un message crypté et transmettre par un canal authentifié de la station de communication (SC) au satellite , ledit message crypté . Système (1) comprenant la station de communication selon la revendication précédente et comprenant les satellites, chaque satellite étant adapté pour déchiffrer, le message crypté à l’aide de la clé secrète de chiffrage associée au satellite de manière à obtenir dans le satellite la clé secrète destinée à la communication sécurisée du satellite avec le satellite . Système selon la revendication précédente, dans lequel ladite station de communication (SC) est embarquée sur un satellite additionnel en orbite autour de la terre, ledit satellite additionnel étant différent des satellites de la constellation (C). Système selon la revendication précédente, dans lequel ledit satellite additionnel est sur une orbite dont une altitude est supérieure à celle d’une orbite des satellites de la constellation (C).