Academic literature on the topic 'Hardware Security Primitives'

Les primitives de sécurité matérielle sont des composants et des mécanismes fondamentaux basés sur le matériel et utilisés pour améliorer la sécurité des systèmes informatiques modernes en général. Ces primitives fournissent des éléments de base pour la mise en œuvre des fonctions de sécurité et la protection contre les menaces afin de garantir l'intégrité, la confidentialité et la disponibilité des informations et des ressources. Avec le développement à grande vitesse de l'informatique quantique et du traitement de l'information, la construction de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques présente un énorme potentiel. Parallèlement, il devient de plus en plus important de traiter les vulnérabilités potentielles du point de vue du matériel pour garantir les propriétés de sécurité des applications quantiques. La thèse se concentre sur les primitives de sécurité matérielles pratiques en analogie quantique, qui se réfèrent à la conception et à la mise en œuvre de fonctions de sécurité matérielles avec des systèmes mécaniques quantiques contre diverses menaces et attaques. Notre recherche s'articule autour de deux questions: Comment les systèmes mécaniques quantiques peuvent-ils améliorer la sécurité des primitives de sécurité matérielle existantes? Et comment les primitives de sécurité matérielle peuvent-elles protéger les systèmes d'informatique quantique? Nous apportons les réponses en étudiant deux types de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques, de la construction à l'application: Physical Unclonable Function (PUF) et Trusted Execution Environments (TEE). Nous proposons tout d'abord des constructions hybrides classiques-quantiques de PUF appelées HPUF et HLPUF. Alors que les PUF exploitent les propriétés physiques propres à chaque dispositif matériel individuel pour générer des clés ou des identifiants spécifiques, nos constructions intègrent des technologies de traitement quantique de l'information et mettent en œuvre des protocoles d'authentification et de communication sécurisés avec des clés quantiques réutilisables. Deuxièmement, inspirés par les TEE qui obtiennent des propriétés d'isolation par un mécanisme matériel, nous proposons la construction de QEnclave avec des systèmes mécaniques quantiques. L'idée est de fournir des environnements d'exécution isolés et sécurisés au sein d'un système informatique quantique plus large en utilisant des enclaves/processeurs sécurisés pour protéger les opérations sensibles d'un accès non autorisé ou d'une altération avec des hypothèses de confiance minimales. Il en résulte une construction de QEnclave assez simple de manière opérationnelle, avec l'exécution de rotations sur des qubits uniques. Nous montrons que QEnclave permet un calcul quantique aveugle délégué sur le serveur en nuage avec un utilisateur classique distant dans le cadre des définitions de sécurité<br>Hardware security primitives are hardware-based fundamental components and mechanisms used to enhance the security of modern computing systems in general. These primitives provide building blocks for implementing security features and safeguarding against threats to ensure integrity, confidentiality, and availability of information and resources. With the high-speed development of quantum computation and information processing, a huge potential is shown in constructing hardware security primitives with quantum mechanical systems. Meanwhile, addressing potential vulnerabilities from the hardware perspective is becoming increasingly important to ensure the security properties of quantum applications. The thesis focuses on practical hardware security primitives in quantum analogue, which refer to designing and implementing hardware-based security features with quantum mechanical systems against various threats and attacks. Our research follows two questions: How can quantum mechanical systems enhance the security of existing hardware security primitives? And how can hardware security primitives protect quantum computing systems? We give the answers by studying two different types of hardware security primitives with quantum mechanical systems from constructions to applications: Physical Unclonable Function (PUF) and Trusted Execution Environments (TEE). We first propose classical-quantum hybrid constructions of PUFs called HPUF and HLPUF. When PUFs exploit physical properties unique to each individual hardware device to generate device-specific keys or identifiers, our constructions incorporate quantum information processing technologies and implement quantum-secure authentication and secure communication protocols with reusable quantum keys. Secondly, inspired by TEEs that achieve isolation properties by hardware mechanism, we propose the QEnclave construction with quantum mechanical systems. The idea is to provide an isolated and secure execution environment within a larger quantum computing system by utilising secure enclaves/processors to protect sensitive operations from unauthorized access or tampering with minimal trust assumptions. It results in an operationally simple enough QEnclave construction with performing rotations on single qubits. We show that QEnclave enables delegated blind quantum computation on the cloud server with a remote classical user under the security definitions

Le paysage du monde des téléphones mobiles a changé avec l’introduction des ordiphones (de l’anglais smartphones). En effet, depuis leur avènement, les ordiphones sont devenus incontournables dans des différents aspects de la vie quotidienne. Cela a poussé de nombreux fournisseurs de services de rendre leurs services disponibles sur mobiles. Malgré cette croissante popularité, l’adoption des ordiphones pour des applications sensibles n’a toujours pas eu un grand succès. La raison derrière cela est que beaucoup d’utilisateurs, de plus en plus concernés par la sécurité de leurs appareils, ne font pas confiance à leur ordiphone pour manipuler leurs données sensibles. Cette thèse a pour objectif de renforcer la confiance des utilisateurs en leur mobile. Nous abordons ce problème de confiance en suivant deux approches complémentaires, à savoir la sécurité prouvée et la sécurité ancrée à des dispositifs matériels. Dans la première partie, notre objectif est de montrer les limitations des technologies actuellement utilisées dans les architectures des ordiphones. À cette fin, nous étudions deux systèmes largement déployés et dont la sécurité a reçu une attention particulière dès la conception : l’entrepôt de clés d’Android, qui est le composant protégeant les clés cryptographiques stockées sur les mobiles d’Android, et la famille des protocoles sécurisés SCP (de l’anglais Secure Channel Protocol) qui est définie par le consortium GlobalPlatform. Nos analyses se basent sur le paradigme de la sécurité prouvée. Bien qu’elle soit perçue comme un outil théorique voire abstrait, nous montrons que cet outil pourrait être utilisé afin de trouver des vulnérabilités dans des systèmes industriels. Cela atteste le rôle important que joue la sécurité prouvée pour la confiance en étant capable de formellement démontrer l’absence de failles de sécurité ou éventuellement de les identifier quand elles existent. Quant à la deuxième partie, elle est consacrée aux systèmes complexes qui ne peuvent pas être formellement vérifiés de manière efficace en termes de coût. Nous commençons par examiner l’approche à double environnement d’exécution. Ensuite, nous considérons le cas où cette approche est instanciée par des dispositifs matériels particuliers, à savoir le ARM TrustZone, afin de construire un environnement d’exécution de confiance (TEE de l’anglais Trusted Execution Environment). Enfin, nous explorons deux solutions palliant quelques limitations actuelles du TEE. Premièrement, nous concevons une nouvelle architecture du TEE qui en protège les données sensibles même quand son noyau sécurisé est compromis. Cela soulage les fournisseurs des services de la contrainte qui consiste à faire pleinement confiance aux fournisseurs du TEE. Deuxièmement, nous proposons une solution dans laquelle le TEE n’est pas uniquement utilisé pour protéger l’exécution des applications sensibles, mais aussi pour garantir à des grands composants logiciels (comme le noyau d’un système d’exploitation) des propriétés de sécurité plus complexes, à savoir l’auto-protection et l’auto-remédiation<br>The landscape of mobile devices has been changed with the introduction of smartphones. Sincetheir advent, smartphones have become almost vital in the modern world. This has spurred many service providers to propose access to their services via mobile applications. Despite such big success, the use of smartphones for sensitive applications has not become widely popular. The reason behind this is that users, being increasingly aware about security, do not trust their smartphones to protect sensitive applications from attackers. The goal of this thesis is to strengthen users trust in their devices. We cover this trust problem with two complementary approaches: provable security and hardware primitives. In the first part, our goal is to demonstrate the limits of the existing technologies in smartphones architectures. To this end, we analyze two widely deployed systems in which careful design was applied in order to enforce their security guarantee: the Android KeyStore, which is the component shielding users cryptographic keys in Android smartphones, and the family of Secure Channel Protocols (SCPs) defined by the GlobalPlatform consortium. Our study relies on the paradigm of provable security. Despite being perceived as rather theoretical and abstract, we show that this tool can be handily used for real-world systems to find security vulnerabilities. This shows the important role that can play provable security for trust by being able to formally prove the absence of security flaws or to identify them if they exist. The second part focuses on complex systems that cannot cost-effectively be formally verified. We begin by investigating the dual-execution-environment approach. Then, we consider the case when this approach is built upon some particular hardware primitives, namely the ARM TrustZone, to construct the so-called Trusted Execution Environment (TEE). Finally, we explore two solutions addressing some of the TEE limitations. First, we propose a new TEE architecture that protects its sensitive data even when the secure kernel gets compromised. This relieves service providers of fully trusting the TEE issuer. Second, we provide a solution in which TEE is used not only for execution protection, but also to guarantee more elaborated security properties (i.e. self-protection and self-healing) to a complex software system like an OS kernel

Les mémoires magnétiques (MRAM) font partie des technologies de mémoires non volatiles émergentes ayant connu un développement rapide cette dernière décennie. Un des avantages de cette technologie réside dans les domaines d’applications variées dans lesquelles elle peut intervenir. En plus de sa fonction principale de stockage d’information, la MRAM est utilisée de nos jours dans des applications de type capteurs, récepteur RF et sécurité matérielle. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’utilisation des MRAM dans la conception des primitives de sécurité matérielle élémentaires. Dans un premier temps, une exploration dans la conception de TRNG (True Random Number Generator) basée sur des mémoires de type STT-MRAM (Spin Transfert Torque MRAM) a été menée dans le but de réaliser un démonstrateur et de prouver son efficacité pour les applications sécurisées. Les méthodes d’extraction d’aléa dans les mémoires STT et TAS (Thermally Assisted Switching) sont présentées. Nous avons ainsi évalué ces mémoires magnétiques dans le cadre des TRNG mais également pour la génération de PUF (Physically Unclonable Functions) sur des dispositifs physiques<br>Magnetic memories (MRAM) are one of the emerging non-volatile memory technologies that have experienced rapid development over the past decade. One of the advantages of this technology lies in the varied fields of application in which it can be used. In addition to its primary function of storing information, MRAM is nowadays used in applications such as sensors, RF receivers and hardware security. In this thesis, we are interested in the use of MRAMs in the design of elementary hardware security primitives. Initially, an exploration in the design of TRNG (True Random Number Generator) based on STT-MRAM (Spin Transfert Torque MRAM) type memories was carried out with the aim of producing a demonstrator and proving its effectiveness for secure applications. Random extraction methods in STT and TAS (Thermally Assisted Switching) memories are presented. We have thus evaluated these magnetic memories within the framework of TRNGs but also for the generation of PUFs (Physically Unclonable Functions) on physical devices

Spacecrafts are extensively used by public and private sectors to support a variety of services. Considering the cost and the strategic importance of these spacecrafts, there has been an increasing demand to utilize strong cryptographic primitives to assure their security. Moreover, it is of utmost importance to consider fault tolerance in their designs due to the harsh environment found in space, while keeping low area and power consumption. The problem of recovering spacecrafts from failures or attacks, and bringing them back to an operational and safe state is crucial for reliability. Despite the recent interest in incorporating on-board security, there is limited research in this area. This research proposes a trusted hardware module approach for recovering the spacecrafts subsystems and their cryptographic capabilities after an attack or a major failure has happened. The proposed fault tolerant trusted modules are capable of performing platform restoration as well as recovering the cryptographic capabilities of the spacecraft. This research also proposes efficient fault tolerant architectures for the secure hash (SHA-2) and message authentication code (HMAC) algorithms. The proposed architectures are the first in the literature to detect and correct errors by using Hamming codes to protect the main registers. Furthermore, a quantitative analysis of the probability of failure of the proposed fault tolerance mechanisms is introduced. Based upon an extensive set of experimental results along with probability of failure analysis, it was possible to show that the proposed fault tolerant scheme based on information redundancy leads to a better implementation and provides better SEU resistance than the traditional Triple Modular Redundancy (TMR). The fault tolerant cryptographic primitives introduced in this research are of crucial importance for the implementation of on-board security in spacecrafts.