Academic literature on the topic 'Systèmes embarqués (informatique) – Cryptographie'

Les composants de sécurité de type carte à puce (smartcard) ou les systèmes sur puce (System On Chip) à fonction sécuritaire sont soumis depuis plus d'une dizaine d'années à une nouvelle classe d'attaques appelées attaques par canaux cachés (Side Channel Attack). Ces attaques visent à obtenir des informations du composant en utilisant par exemple sa consommation en courant ou son rayonnement électromagnétique. Par extension ces attaques permettent aussi de perturber le fonctionnement du composant par injection de fautes au moyen de faisceaux lasers ; le but étant de récupérer des secrets ou d'obtenir des privilèges. Dans cette thèse, nous présenterons un état de l'art de ces menaces ainsi que diverses contributions à des contre-mesures contre les. Ceci sera illustré au moyen de publications et brevets, mettant en œuvre divers paradigmes pour lutter contre les fraudes. Nous montrerons notamment que les protections peuvent se situer au niveau arithmétique, algorithmique ou électronique et que des combinaisons sont possibles et souhaitables Nous aborderons aussi le sujet des générateurs de nombres aléatoires, nécessaires à la création de contre mesures, sous la perspective de tests statistiques qui permettent d’en évaluer la qualité. Nous dresserons enfin des perspectives de recherche quant au devenir des attaques tout autant que des contre-mesures dans des systèmes hétérogènes où la sécurité est un compromis entre le coût, la performance et la résistance du système.

La cryptographie est désormais un terme quasi omniprésent dans notre quotidien quel que soit l'intérêt que tout un chacun puisse porter à cette science. Elle représente aujourd'hui un rempart entre nous et les intrusions des pirates ou des institutions sans retenues qui ne se préoccupent guère du respect de notre vie privée. La cryptographie peut protéger nos données personnelles que nous stockons sur de multiples supports numériques solides, voire nuageux pour les plus téméraires. Mais utiliser des mécanismes cryptographiques ne suffit pas. Il faut également les implémenter de telle sorte que leur utilisation soit résistante à une catégorie d'attaques particulière nommées les attaques physiques. Depuis 1996, date de leur divulgation dans le domaine public, ces techniques d'attaques se sont diversifiées et continuellement améliorées donnant notamment lieu à de nombreuses publications et brevets. Nous présentons dans les travaux qui suivent, de nouvelles techniques d'attaques physiques que nous avons pu valider et tester de manières théorique et pratique. Nous introduirons des techniques d'attaques par canaux auxiliaires innovantes tirant parti au maximum de l'information fournie par une seule exécution d'un calcul cryptographique. Nous détaillerons également de nouvelles attaques CoCo (Collision Correlation) appliquées à deux des standards cryptographiques les plus utilisés : l'AES et le RSA. Nous utiliserons les techniques d'injection de fautes pour monter de nouvelles attaques combinées sur des implémentations de l'AES et du RSA. Nous introduirons ensuite des méthodes de génération de nombres premiers dites générations prouvées qui s'avèrent efficaces et propices à un usage dans des composants de type carte à puce. Et enfin nous conclurons ce mémoire par la première méthode d'exponentiation sécurisée Carré Toujours
Cryptography has become a very common term in our daily life even for those that are not practising this science. It can represent today an efficient shield that prevent us from hackers' or other non-respectable entities' intrusions in our privacy. Cryptography can protect the personal data we store on many physical numerical supports or even cloudy ones for the most intrepid people. However a secure usage cryptography is also necessary. Cryptographic algorithms must be implemented such that they contain the right protections to defeat the category of physical attacks. Since the first article has been presented on this subject in 1996, different attack improvements, new attack paths and countermeasures have been published and patented. We present the results we have obtained during the PhD. New physical attacks are presented with practical results. We are detailing innovative side-channel attacks that take advantage of all the leakage information present in a single execution trace of the cryptographic algorithm. We also present two new CoCo (Collision Correlation) attacks that target first order protected implementations of AES and RSA algorithms. We are in the next sections using fault-injection techniques to design new combined attacks on different state of the art secure implementation of AES and RSA. Later we present new probable prime number generation method well suited to embedded products. We show these new methods can lead to faster implementations than the probabilistic ones commonly used in standard products. Finally we conclude this report with the secure exponentiation method we named Square Always

Dans un monde défiant, l'augmentation du nombre et de la diversité des applications numériques ont rendu nécessaire l'existence d'un objet pratique intégrant les fonctions cryptographiques requises pour les besoins quotidiens de sécurité des transactions, de confidentialité des échanges, d'identification du porteur ou encore d'authentification pour l'accès à un service. Parmi les dispositifs cryptographiques embarqués aptes à proposer ces fonctionnalités, la carte à puce est certainement le plus utilisé de nos jours. Sa portabilité (un porte-feuille peut en contenir une dizaine) et sa capacité à protéger les données et programmes qu'elle contient contre les attaques intrusives, lui confèrent naturellement sa fonction essentielle de ``bunker'' pour le stockage de clés et l'exécution d'algorithmes cryptographiques dans les usages mobiles nécessitant un haut degré de sécurité. Évidemment nécessaire, la conception de schémas cryptographiques mathématiquement robustes, voire prouvés sûrs dans certains modèles, s'est malgré tout révélée insuffisante depuis la publication en 1996 des premières attaques physiques. Exploitant des vulnérabilités liées à la mise en oeuvre concrète des routines de sécurité et à leur implémentation, ces menaces comprennent l'analyse de canaux auxiliaires permettant d'obtenir de l'information sur l'état interne d'un processus, et l'exploitation de fautes provoquées ouvrant la voie à certaines cryptanalyses autrement impossibles. Cette thèse présente une série de travaux de recherche dans le domaine de la sécurité physique des crypto-systèmes embarqués. Deux parties de ce document sont consacrées à la description de certaines attaques et à l'étude de l'efficacité de possibles contre-mesures. Une troisième partie aborde le domaine particulier, et encore très peu exploré, de l'applicabilité des attaques physiques dans le cas où la fonction cryptographique considérée est en grande partie, voire totalement, inconnue de l'adversaire
In a world full of threats, the development of widespread digital applications has led to the need for a practical device containing cryptographic functions that provide the everyday needs for secure transactions, confidentiality of communications, identification of the subject or authentication for access to a particular service. Among the cryptographic embedded devices ensuring these functionalities, smart cards are certainly the most widely used. Their portability (a wallet may easily contain a dozen) and their ability to protect its data and programs against intruders, make it as the ideal ``bunker'' for key storage and the execution of cryptographic functions during mobile usage requiring a high level of security. Whilst the design of mathematically robust (or even proven secure in some models) cryptographic schemes is an obvious requirement, it is apparently insufficient in the light of the first physical attacks that were published in 1996. Taking advantage of weaknesses related to the basic implementation of security routines, these threats include side-channel analysis which obtains information about the internal state of the process, and the exploitation of induced faults allowing certain cryptanalysis to be performed which otherwise would not have been possible. This thesis presents a series of research works covering the physical security of embedded cryptosystems. Two parts of this document are dedicated to the description of some attacks and to a study of the efficiency of conceivable countermeasures. A third part deals with that particular and still mainly unexplored area which considers the applicability of physical attacks when the cryptographic function is, partly or totally, unknown by the adversary

When I started to work on side-channels attacks, these power-analysis and fault-injection attacks were just appearing. Therefore my research work has followed the evolution of all this domain including both attack and countermeasure. This PhD thesis presents both academic work (consumption models, theoretical protections, general scenarios of attacks) and practical work (real implementation, attacks on real cards, model checking) on usual algorithms such as DES, AES and RSA. Most of the results of this thesis have been published in some conferences (Asiacrypt, CHES, FSE, PKC) and patended
En 1998, les attaques par consommation de courant et par injection de fautes commençaient à peine à apparaître. C'est ainsi que j'ai eu la chance de suivre,et de participer parfois, aux innovations qui ont conduit tant à mettre en oeuvre de nouvelles attaques, qu'à élaborer de nouvelles contre-mesures. Ce mémoire de thèse présente mon travail tant d'un point de vue assez théorique (modèle de consommation de la carte, protections théoriques, principes généraux de scénarios d'attaques) que pratique (vérification de la théorie, implémentations sécurisées, attaques réelles) sur les algorithmes usuels tels que le DES, l'AES ou le RSA. La plupart de ces résultats ont été publiés dans plusieurs conférences (Asiacrypt, CHES, FSE, PKC) et brevetés

L’approche PDS (serveurs personnel données) prône une gestion totalement décentralisée des données personnelles. Elle s’appuie sur un nouveau composant matériel qui combine un microcontrôleur protégé contre toute attaque avec une mémoire de masse de type flash NAND. Il permet de stocker les données personnelles, les rendre disponibles et contrôler les droits d’accès. L’intégration d’un moteur de base de données permet le déploiement d’applications manipulant ces données. Cette thèse aborde deux problèmes concernant la confidentialité et l'intégrité des données personnelles: (i) la base de données est en dehors du périmètre de sécurité et peut être la cible d’attaques; (ii) des serveurs de support assurent la durabilité, la disponibilité des données, ou d'autres traitements globaux. Des protocoles appropriés doivent assurer qu’ils ne peuvent attaquer les données manipulées. Les solutions proposées s'appuyent sur des techniques cryptographiques et limitent les surcoûts générés
As a decentralized way for managing personal data, the Personal Data Server approach (PDS) resorts to Secure Portable Token, combining the tamper resistance of a smart card microcontroller with the mass storage capacity of NAND Flash. The data is stored, accessed and its access rights controlled using such devices. To support powerful PDS application requirements, a full-fledged DBMS engine is embedded in the SPT. This thesis addresses two problems with the confidentiality and integrity of personal data: (i) the database stored on the NAND Flash remains outside the security perimeter of the microcontroller, thus potentially suffering from attacks; (ii) the PDS approach relies on supporting servers to provide durability, availability, and global processing functionalities. Appropriate protocols must ensure that these servers cannot breach the confidentiality of the manipulated data. The proposed solutions rely on cryptography techniques, without incurring large overhead

Ces dernières années, la sécurité des systèmes embarqués a fait l'objet de recherches intensives. Comme l'énergie, le coût et la performance; la sécurité est un aspect important qui doit être considérée tout au long du processus de conception d'un système embarqué. Des menaces récentes appelées "attaques par canaux cachés'' (Side-Channel Analysis (SCA)) ont attiré beaucoup d'attention dans le milieu de la sécurité embarquée. Ces attaques exploitent des propriétés physiques, telles que la consommation d'énergie ou le champ magnétique rayonné, afin de retrouver le secret. De plus, elles sont passives dans le sens où l'analyse se contente d'une observation extérieure du système sans l'endommager. Dans ce contexte, il est évident que la sécurisation des systèmes embarqués contre les attaques SCA constitue un aspect vital dans le flot de conception. Par conséquent, la nécessité d'assurer et d'évaluer la robustesse des systèmes embarqués contre ces attaques devient clair. Cette thèse propose principalement des techniques et méthodes génériques dans l'analyse par canaux cachés. Ces techniques qui touchent à différents aspects de l'analyse SCA (acquisition, pré-traitement, attaque et évaluation) peuvent être utilisées dans un cadre d'évaluation plus officiel tel que les Critères Communs (CC) ou le FIPS-140 afin d'améliorer la visibilité de l'évaluateur. Par ailleurs, le propriétaire d'un produit pourrait aussi se baser sur ces techniques dans le but d'évaluer la sécurité de son produit face aux attaques par canaux cachés avant de solliciter un certificat.

Cette thèse s’intéresse aux attaques par canaux auxiliaires contre les implantations matérielles d'algorithmes cryptographiques. Les études conduites dans ce document se placent donc dans le cadre où un adversaire a accès à des observations bruitées des résultats intermédiaires d’un calcul cryptographique. Dans ce contexte, de nombreuses attaques existent avec leurs contremesures dédiées, mais leur pertinence et leur mise en pratique restent encore floues. Cette thèse s’intéresse dans un premier temps à la pertinence des attaques existantes et aux possibles liens qui les unissent. Une classification formelle est proposée ainsi que des critères de choix. Sur la base de cette étude, une attaque générique performante est décrite et analysée en profondeur. Dans un second temps, la mise en pratique des contremesures actuelles est étudiée, donnant lieu à la création d’un schéma d’application les mélangeant pour atteindre de meilleurs compromis efficacité/sécurité
This thesis deals with side channel attacks against hardware implementations of cryptographic algorithms. Studies conducted in this document are therefore in place where an adversary has access to noisy observations of intermediate results of a cryptographic computation. In this context, many attacks are dedicated with their countermeasures, but their relevance and their implementation are still unclear. This thesis initially focuses on the relevance of existing attacks and potential links between them. A formal classification is proposed as well as selection criteria. Based on this study, a generic efficient attack is described and analyzed in depth. In a second step, the implementation of common countermeasures is studied, leading to the creation of an application scheme mixing them to achieve a better efficiency / security trade off

L’objet de cette thèse porte sur la modélisation mathématique des générateurs physiques de nombres aléatoires, tout particulièrement dans le contexte des systèmes embarqués. Les axes principaux sont les modèles stochastiques des sources d'entropie, l’établissement de tests statistiques adaptés et l’exploitation des défauts détectés
The purpose of this thesis focuses on the mathematical modeling of physical random number generators, especially in the context of embedded systems. The main axes are the stochastic modeling of entropy sources, the establishment of appropriate statistical tests and the exploitation of detected weaknesses

Les “smart-devices” tels les smartphones, tablettes et même les montres ont été largement démocratisés au cours de la dernière décennie. Dans nos sociétés occidentales, on ne garde plus seulement son ordinateur personnel chez soi, on le transporte dans la poche arrière de son pantalon ou bien autour de son poignet. Ces outils ne sont d’ailleurs plus limités, en termes d’utilisation, à de la simple communication par SMS ou bien téléphone, on se fie à eux pour stocker nos photos et données personnelles, ces dernières parfois aussi critiques que des données de paiement bancaires, on gère nos contacts et finances, se connecte à notre boite mail ou un site marchand depuis eux. . . Des exemples récents nous fournissent d’ailleurs un aperçu des tâches de plus en plus complexes que l’on confie à ces outils : l’Estonie autorise l’utilisation de smartphones pour participer aux scrutins nationaux et en 2017, la société Transport for London a lancé sa propre application autorisant l’émulation d’une Oyster card et son rechargement pour emprunter son réseau de transports publics. Plus les services se complexifient, plus la confiance qui leur est accordée par les groupes industriels et les utilisateurs grandit. Nous nous intéressons ici aux protocoles cryptographiques qui définissent les échanges entre les outils et entités qui interviennent dans l’utilisation de tels services et aux garanties qu’ils proposent en termes de sécurité (authentification mutuelle des agent, intégrité des messages circulant, secret d’une valeur critique…). Moult exemples de la littérature et de la vie courante ont démontré que leur élaboration était hautement vulnérable à des erreurs de design. Heureusement, des années de recherches nous ont fournis des outils pour rendre cette tâche plus fiable, les méthodes formelles font partie de ceux-là. Il est possible de modeler un protocole cryptographique comme un processus abstrait qui manipule des données et primitives cryptographiques elles aussi modélisées comme des termes et fonctions abstraites. On met le protocole à l’épreuve face à un attaquant actif et on peut spécifier mathématiquement les propriétés de sécurité qu’il est censé garantir. Ces preuves de sécurité peuvent être automatisées grâce à des outils tels que ProVerif ou bien Tamarin. L’une des grandes difficultés lorsque l’on cherche à concevoir et prouver formellement la sécurité d’un protocole de niveau industriel réside dans le fait que ce genre de protocole est généralement très long et doit satisfaire des propriétés de sécurité plus complexes que certains protocoles universitaires. Au cours de cette thèse, nous avons souhaité étudier deux cas d’usage : le vote électronique et le paiement mobile. Dans les deux cas, nous avons conçu et prouvé la sécurité d’un protocole répondant aux problématiques spécifiques à chacun des cas d’usage. Dans le cadre du vote électronique, nous proposons le protocole Belenios VS, une variante de Belenios RF. Nous définissons l’écosystème dans lequel le protocole est exécuté et prouvons sa sécurité grâce à ProVerif. Belenios VS garantit la confidentialité du vote et le fait qu’un utilisateur puisse vérifier que son vote a bien fait parti du résultat final de l’élection, tout cela même si l’outil utilisé par le votant est sous le contrôle d’un attaquant. Dans le cadre du paiement, nous avons proposé la première spécification ouverte de bout en bout d’une application de paiement mobile. Sa conception a pris en compte le fait qu’elle devait pouvoir s’adapter à l’écosystème de paiement déjà existant pour être largement déployable et que les coûts de gestion, de développement et de maintenance de la sécurité devait être optimisés
The last decade has seen the massive democratization of smart devices such as phones, tablets, even watches. In the wealthiest societies of the world, not only do people have their personal computer at home, they now carry one in their pocket or around their wrist on a day to day basis. And those devices are no more used simply for communication through messaging or phone calls, they are now used to store personal photos or critical payment data, manage contacts and finances, connect to an e-mail box or a merchant website... Recent examples call for more complex tasks we ask to such devices: Estonia voting policy allows the use of smart ID cards and smartphones to participate to national elections. In 2017, Transport for London launched the TfL Oyster app to allow tube users to top up and manage their Oyster card from their smartphone. As services grow with more complexity, so do the trust users and businesses put in them. We focus our interest into cryptographic protocols which define the exchanges between devices and entities so that such interaction ensure some security guarantees such as authentication, integrity of messages, secrecy… Their design is known to be an error prone task. Thankfully, years of research gave us some tools to improve the design of security protocols, among them are the formal methods: we can model a cryptographic protocol as an abstract process that manipulates data and cryptographic function, also modeled as abstract terms and functions. The protocol is tested against an active adversary and the guarantees we would like a protocol to satisfy are modeled as security properties. The security of the protocol can then be mathematically proven. Such proofs can be automated with tools like ProVerif or Tamarin. One of the big challenge when it comes to designing and formally proving the security an “industrial- level” protocol lies in the fact that such protocols are usually heavier than academic protocols and that they aim at more complex security properties than the classical ones. With this thesis, we wanted to focus on two use cases: electronic voting and mobile payment. We designed two protocols, one for each respective use case and proved their security using automated prover tools. The first one, Belenios VS, is a variant of an existing voting scheme, Belenios RF. It specifies a voting ecosystem allowing a user to cast a ballot from a voting sheet by flashing a code. The protocol’s security has been proven using the ProVerif tool. It guarantees that the vote confidentiality cannot be broken and that the user is capable of verifying their vote is part of the final result by performing a simple task that requires no technical skills all of this even if the user’s device is compromised – by a malware for instance. The second protocol is a payment one that has been conceived in order to be fully scalable with the existing payment ecosystem while improving the security management and cost on the smartphone. Its security has been proven using the Tamarin prover and holds even if the user’s device is under an attacker’s control

Ces travaux de thèse se concentrent sur l'étude des attaques par canaux cachés et les implications sur les mesures à prendre pour un concepteur de circuits sécurisés. Nous nous intéressons d'abord aux différentes attaques par canaux cachés en proposant une amélioration pour un type d'attaque générique particulièrement intéressante : l'attaque par analyse d'information mutuelle. Nous étudions l'effet des différentes techniques d'estimation d'entropie sur les résultats de l'attaque. Nous proposons l'utilisation de fonctions B-splines comme estimateurs étant donné qu'elles sont bien adaptées à notre scénario d'attaques par canaux cachés. Nous étudions aussi l'impact que peut avoir ce type d'attaques sur un cryptosystème symétrique connu, l'Advanced Encryption Standard (AES), en proposant une contre-mesure basée sur la structure algébrique de l'AES. L'opération principale de la majorité des systèmes ECC est la multiplication scalaire qui consiste à additionner un certain nombre de fois un point de courbe elliptique avec lui-même. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la sécurisation de cette opération. Nous proposons un algorithme de multiplication scalaire à la fois efficace et résistant face aux principales attaques par canaux cachés. Nous étudions enfin les couplages, une construction mathématique basée sur les courbes elliptiques, qui possède des propriétés intéressantes pour la création de nouveaux protocoles cryptographiques. Nous évaluons finalement la résistance aux attaques par canaux cachés de ces constructions
This thesis focuses on the study of side-channel attacks as well as their consequences on the secure implementation of cryptographic algorithms. We first analyze different side-channel attacks and we propose an improvement of a particularly interesting generic attack: the mutual information analysis. We study the effect of state of the art entropy estimation techniques on the results of the attack. We propose the use of B-spline funtions as estimators as they are well suited to the side-channel attack scenario. We also investigate the consequences of this kind of attack on a well known symmetric cryptosystem, the Advanced Encryption Standard (AES), and we propose a countermeasure based on the algebraic structure of AES. The main operation of ECC is the scalar multiplication that consists of adding an elliptic curve point to itself a certain number of times. In the second part, we investigate how to secure this operation. We propose a scalar multiplication algorithm that is both efficient and secure against main side-channel attacks. We then study pairings, a mathematical construction based on elliptic curves. Pairings have many interesting properties that allow the creation of new cryptographic protocols. We finally evaluate the side-channel resistance of pairings