Cette thèse porte sur les attaques par observations. Ces attaques étudient les variations d'émanation d'un composant pour retrouver une clé secrète. Ces émanations peuvent être multiples, par exemple, la consommation de courant électrique, le rayonnement électromagnétique, etc. Généralement, ces attaques font appel à des méthodes statistiques pour examiner la relation entre les émanations du composant et des modèles de consommation imaginés par l'attaquant. Trois axes sont développés dans cette thèse. Dans un premier temps, nous avons implémenté différentes attaques par observations sur des cartes graphiques en utilisant l'API OpenCL. Ces implémentations sont plus performantes que les implémentations classiques, ce qui permet à un attaquant de pouvoir traiter plus de données. Dans un second temps, nous avons proposé l'utilisation du MIC dans le cadre des attaques par observations. L'avantage du MIC, par rapport à l'information mutuelle, est sa facilité de calcul, ne dépendant pas de choix de noyau ou de taille de fenêtre. Son utilisation dans une attaque par observations est donc aisée, même si, la complexité des calculs à effectuer est souvent très importante. Enfin, nous avons introduit une nouvelle attaque, basée sur la distribution jointe de l'entrée et de la sortie de fonction cryptographique. Si cette distribution varie en fonction de la valeur de la clé impliquée par la fonction, on est capable de retrouver la clé secrète utilisée par le composant. Cette nouvelle attaque a la particularité de ne nécessiter ni la connaissance du texte clair, ni la connaissance du texte chiffré, ce qui lui permet d'être efficace même en présence de certaines contre-mesures. / The main subject of this manuscript is the Side Channel Attacks. These attacks investigate the variation of device emanations to retrieve a secret key. These emanations can be the power consumption, the electromagnetic radiation, etc. Most of the time, those attacks use statistical methods to examine the relationship between the emanations and some leakage models supposed by the attacker. Three main axis are developed here. First, we have implemented many side channel attacks on GPGPU using the API OpenCL. These implementations are more effective than the classical ones, so an attacker can exploit more data. Then, in order to provide a new side channel attack, we have suggested the use of a new dependency measurement proposed by Reshef et al., the MIC. The MIC is more advantageous than the mutual information, because its computation does not depend of a kernel choice nor a windows size. So, its use in side channel analysis is simple, even if the time complexity is large. Finally, we have introduced a new attack based on the join distribution of the input and the output of a cryptographic sub-function. If the distribution depends on the key used in the function, we can retrieve the secret key. This attack can be efficient even in presence of some countermeasures because it does not required the knowledge of both plain text or cipher text.

Cette thèse porte sur l'étude, la conception matérielle, la validation théorique et pratique, et enfin la comparaison de différents opérateurs arithmétiques pour des cryptosystèmes basés sur les courbes elliptiques (ECC). Les solutions proposées doivent être robustes contre certaines attaques par canaux cachés tout en étant performantes en matériel, tant au niveau de la vitesse d'exécution que de la surface utilisée. Dans ECC, nous cherchons à protéger la clé secrète, un grand entier, utilisé lors de la multiplication scalaire. Pour nous protéger contre des attaques par observation, nous avons utilisé certaines représentations des nombres et des algorithmes de calcul pour rendre difficiles certaines attaques ; comme par exemple rendre aléatoires certaines représentations des nombres manipulés, en recodant certaines valeurs internes, tout en garantissant que les valeurs calculées soient correctes. Ainsi, l'utilisation de la représentation en chiffres signés, du système de base double (DBNS) et multiple (MBNS) ont été étudiés. Toutes les techniques de recodage ont été validées théoriquement, simulées intensivement en logiciel, et enfin implantées en matériel (FPGA et ASIC). Une attaque par canaux cachés de type template a de plus été réalisée pour évaluer la robustesse d'un cryptosystème utilisant certaines de nos solutions. Enfin, une étude au niveau matériel a été menée dans le but de fournir à un cryptosystème ECC un comportement régulier des opérations effectuées lors de la multiplication scalaire afin de se protéger contre certaines attaques par observation. / This PhD thesis focuses on the study, the hardware design, the theoretical and practical validation, and eventually the comparison of different arithmetic operators for cryptosystems based on elliptic curves (ECC). Provided solutions must be robust against some side-channel attacks, and efficient at a hardware level (execution speed and area). In the case of ECC, we want to protect the secret key, a large integer, used in the scalar multiplication. Our protection methods use representations of numbers, and behaviour of algorithms to make more difficult some attacks. For instance, we randomly change some representations of manipulated numbers while ensuring that computed values are correct. Redundant representations like signed-digit representation, the double- (DBNS) and multi-base number system (MBNS) have been studied. A proposed method provides an on-the-fly MBNS recoding which operates in parallel to curve-level operations and at very high speed. All recoding techniques have been theoretically validated, simulated extensively in software, and finally implemented in hardware (FPGA and ASIC). A side-channel attack called template attack is also carried out to evaluate the robustness of a cryptosystem using a redundant number representation. Eventually, a study is conducted at the hardware level to provide an ECC cryptosystem with a regular behaviour of computed operations during the scalar multiplication so as to protect against some side-channel attacks.

Cette thèse se situe dans la cryptanalyse physique des algorithmes de chiffrement par blocs. Un algorithme cryptographique est conçu pour être mathématiquement robuste. Cependant, une fois implémenté dans un circuit, il est possible d'attaquer les failles de ce dernier. Par opposition à la cryptanalyse classique, on parle alors d'attaques physiques. Celles-ci ne permettent pas d'attaquer l'algorithme en soi, mais son implémentation matérielle. Il existe deux grandes familles d'attaques physiques différentes : les attaques par observation du circuit durant le chiffrement, et les attaques par injections de fautes, qui analysent l'effet d'une perturbation intentionnelle sur le fonctionnement du circuit. Les attaques physiques ont deux types d'objectifs : rechercher la clé ou faire de la rétro-conception (retrouver une partie d'un algorithme de chiffrement privé, ex : s-boxes modifiées). Bien que leurs principes semblent distincts, cette thèse présente un formalisme qui permet d'unifier toutes ces attaques. L'idée est de décrire les attaques physiques de façon similaire, afin de pouvoir les comparer. De plus, ce formalisme a permis de mettre en évidence de nouvelles attaques. Des travaux novateurs ayant pour objet de retrouver la clé de chiffrement d'un AES, uniquement avec la consommation de courant ont été menés. Une nouvelle attaque de type FIRE (Fault Injection for Reverse Engineering) pour retrouver les s-boxes d'un pseudo DES est également présentée dans la thèse. Ce travail a abouti sur une réflexion plus générale, sur les attaques par injections de fautes dans les schémas de Feistel classiques et généralisés. / The main subject of this work is the physical cryptanalysis of blocks ciphers. Even if cryptographic algorithms are properly designed mathematically, they may be vulnerable to physical attacks. Physical attacks are mainly divided in two families: the side channel attacks which are based on the observation of the circuit behaviour during the computation, and the fault injection attacks which consist in disturbing the computation in order to alter the correct progress of the algorithm. These attacks are used to target the cipher key or to reverse engineer the algorithm. A formalism is proposed in order to describe the two families in a unified way. Unifying the different attacks under a same formalism allows to deal with them with common mathematical tools. Additionally, it allows a comparison between different attacks. Using this framework, a generic method to assess the vulnerabilities of generalized Feistel networks to differential fault analysis is presented. This work is furthermore extended to improve a FIRE attack on DES-like cryptosystems with customized s-boxes.