La Cryptographie sur les Courbes Elliptiques (abréviée ECC de l'anglais Elliptic Curve Cryptography) est devenue très importante dans les cartes à puces car elle présente de meilleures performances en temps et en mémoire comparée à d'autres cryptosystèmes asymétriques comme RSA. ECC est présumé incassable dans le modèle dit « Boite Noire », où le cryptanalyste a uniquement accès aux entrées et aux sorties. Cependant, ce n'est pas suffisant si le cryptosystème est embarqué dans un appareil qui est physiquement accessible à de potentiels attaquants. En plus des entrés et des sorties, l'attaquant peut étudier le comportement physique de l'appareil. Ce nouveau type de cryptanalyse est appelé cryptanalyse physique. Cette thèse porte sur les attaques physiques sur ECC. La première partie fournit les pré-requis sur ECC. Du niveau le plus bas au plus élevé, ECC nécessite les outils suivants : l'arithmétique sur les corps finis, l'arithmétique sur courbes elliptiques, la multiplication scalaire sur courbes elliptiques et enfin les protocoles cryptographiques. La deuxième partie expose un état de l'art des différentes attaques physiques et contremesures sur ECC. Pour chaque attaque, nous donnons le contexte dans lequel elle est applicable. Pour chaque contremesure, nous estimons son coût en temps et en mémoire. Nous proposons de nouvelles attaques et de nouvelles contremesures. Ensuite, nous donnons une synthèse claire des attaques suivant le contexte. Cette synthèse est utile pendant la tâche du choix des contremesures. Enfin, une synthèse claire de l'efficacité de chaque contremesure sur les attaques est donnée. / Elliptic Curve Cryptography (ECC) has gained much importance in smart cards because of its higher speed and lower memory needs compared with other asymmetric cryptosystems such as RSA. ECC is believed to be unbreakable in the black box model, where the cryptanalyst has access to inputs and outputs only. However, it is not enough if the cryptosystem is embedded on a device that is physically accessible to potential attackers. In addition to inputs and outputs, the attacker can study the physical behaviour of the device. This new kind of cryptanalysis is called Physical Cryptanalysis. This thesis focuses on physical cryptanalysis of ECC. The first part gives the background on ECC. From the lowest to the highest level, ECC involves a hierarchy of tools: Finite Field Arithmetic, Elliptic Curve Arithmetic, Elliptic Curve Scalar Multiplication and Cryptographie Protocol. The second part exhibits a state-of-the-art of the different physical attacks and countermeasures on ECC.For each attack, the context on which it can be applied is given while, for each countermeasure, we estimate the lime and memory cost. We propose new attacks and new countermeasures. We then give a clear synthesis of the attacks depending on the context. This is useful during the task of selecting the countermeasures. Finally, we give a clear synthesis of the efficiency of each countermeasure against the attacks.

Les attaques en fautes consistent à perturber le fonctionnement d'un circuit intégré afin d'accéder à des informations confidentielles. Ce type d'attaque est critique pour la sécurité d'une application, en raison de la vaste gamme d'effets possibles : saut d'instructions, modifications de valeurs de registres … Les moyens mis en œuvre pour corrompre le fonctionnement d'un dispositif électronique sont divers et variés. Un circuit peut ainsi être utilisé en dehors de ses limites opérationnelles (en T°, V ou fréquence d'horloge), être soumis à de brusques variations de tension ou voir son signal d'horloge altéré. Ces attaques restent néanmoins globales, car elles perturbent le circuit dans son intégralité. De fait, elles sont facilement détectables par les nombreuses contremesures et capteurs intégrés de nos jours dans les circuits sécurisés. Des techniques plus élaborées ont ainsi vu le jour, notamment attaques dites LASER. Elles permettent de cibler une zone définie du circuit avec un effet très local, diminuant les risques d'être détectées par les capteurs ainsi que l'apparition de dysfonctionnements complets du système. Toutefois, ces attaques nécessitent une préparation physico-chimique du circuit, à la fois coûteuse et potentiellement destructrice pour l'échantillon ciblé. En raison de leur propriété de pénétration dans les matériaux, les injections électromagnétiques (Electromagnetic Injections) permettent, en théorie, de s'affranchir de toute étape de préparation. Leur capacité à transmettre de l'énergie sans contact direct, ainsi que la possibilité de les produire en possédant un matériel peu onéreux en font une technique de perturbation à fort potentiel. C'est dans ce contexte que cette thèse, intitulée « Injections électromagnétiques : développement d'outils et méthodes pour la réalisation d'attaques matérielles. » a été menée avec comme principaux objectifs la recherche de moyens de perturbation sans contact ne nécessitant pas d'étapes de préparation des échantillons, et produisant des effets localisés. Plus particulièrement, ces travaux de recherche ont donc d'abord été axés sur la réalisation d'une plateforme d'attaques basées sur la génération d'ondes EM harmoniques, en se focalisant sur les éléments clés que sont les sondes d'injection. Diverses expérimentations sur circuits intégrés en technologie récente, notamment sur une structure de générateur d‘horloge interne, ont permis de valider son efficacité. Enfin, des attaques sur générateurs de nombres aléatoires ont également été réalisées et ont démontré la possibilité de réduire l'aléa produit en sortie, en utilisant soit le phénomène de ‘locking' ou de manière plus surprenante, en provocant des fautes lors de l'échantillonnage des données par les éléments mémoires. / Attacks based on fault injection consist in disturbing a cryptographic computation in order to extract critical information on the manipulated data. Fault attacks constitute a serious threat against applications, due to the expected effects: bypassing control and protection, granting access to some restricted operations… Nevertheless, almost of classical ways (T°,V,F) and optical attacks are limited on the newest integrated circuits, which embed several countermeasures as active shield, glitch detectors, sensors… In this context, potentials of Electromagnetic active attacks must undoubtedly be taken into account, because of their benefits (penetrating characteristics, contactless energy transmission, low cost power production…). In this work, EM active attacks based on continuous mode are presented, with a particular attention to the development and optimization of injection probes, with a complete characterization of EM fields provided by each probe at the IC surface. Finally, some experiments are realized on internal clock generator or on true random numbers generators, then evaluated to prove the efficiency of these techniques. Keywords. Hardware Attacks, Faults Attacks, EM induced faults, CMOS Integrated Circuits.

La sécurité des traitements numériques est quelque chose d'important dans notre société actuelle. Un grand nombre d'applications nécessite de forts niveaux de sécurité et/ou de sûreté. Pour répondre à ces besoins, les applications utilisent souvent des composants ASICs. Les principaux problèmes de ce type de composant sont qu'ils sont dédiés à une application et nécessitent de forts volumes de production. Une autre approche possible consiste à utiliser des plates-formes reconfigurables telles que des FPGAs de type SRAM. Cependant, la mémoire de configuration de ces FPGAs est sensible aux perturbations, ce qui nécessite une étude spécifique. Cette thèse a pour objectif principal de caractériser les effets des injections de fautes par tirs laser et par application de surtensions dans ce type de composant. Lors de ce travail, nous avons pu analyser pour un type de FPGA la sensibilité des différents éléments configurant la logique programmable et identifier les principaux types de modification des interconnexions. Les effets obtenus ont été étudiés en fonction de plusieurs paramètres : focalisation du faisceau laser ou amplitude des surtensions, durée des perturbations et énergie. Le déterminisme des effets a également été analysé. Il a été montré pour les attaques par laser que la forme des zones de sensibilité dépend de la valeur initiale du bit et une interprétation a été proposée. Suite à ces différentes caractérisations, un crypto-processeur AES sécurisé contre les injections de fautes a été implanté sur le FPGA et attaqué. Les différences de robustesse avec l'implantation ASIC ont en particulier été analysées et une amélioration des contre-mesures a été proposée, implantée et validée.

L'évolution des besoins en sécurité des applications grand public a entraîné la multiplication du nombre de systèmes sur puces doués de capacités de chiffrement. En parallèle, l'évolution des techniques de cryptanalyse permet d'attaquer les implantations des méthodes de chiffrement utilisées dans ces applications. Cette thèse porte sur le développement d'une méthodologie permettant l'évaluation de la robustesse apportée par des protections intégrées dans le circuit. Cette évaluation est basée d'une part sur l'utilisation de plates-formes laser pour étudier les types de fautes induits dans un prototype de circuit sécurisé ; et d'autre part, sur l'utilisation d'une méthode basée sur des simulations pendant la phase de conception pour comparer l'influence sur les canaux cachés de protections contre les fautes. Cette méthodologie a été utilisée dans un premier temps sur le cas simple d'un registre protégé par redondance d'information, puis sur des primitives cryptographiques telles qu'une S-Box AES et des co-processeurs AES et RSA. Ces deux études ont montré que l'ajout de capacités de détection ou de correction améliore la robustesse du circuit face aux différentes attaques.

Dans cette thèse, Nous présentons différents aspects d'attaques physiques sur les implémentations cryptographiques de l'algorithme de chiffrement AES, ainsi qu'une étude sur les contre-mesures possibles. La première méthode d'injection utilisée est basée sur la violation temps de setup. Nous avons démontré pour la première fois que cette méthode globale permet l'injection de fautes exploitables dans les circuits cryptographiques ASIC et FPGA . On a également réalisé une attaque locale sur un microprocesseur ATmega128 en utilisant un laser. Nous présentons aussi dans cette thèse, une nouvelle approche pour contré les attaque en fautes basé sur la résilience. La résilience n'impose aucune destruction des secrets dans le cas d'une attaque en faute. Dans une implémentation protégée par résilience, quand une faute est injecté avec succès mais n'a pas de conséquence dans le calcul, le circuit ne présente aucune réaction par contre si le circuit est protégé par un système de détection arrête automatiquement le calcul même si la faute n'a pas d'effet. Dans une implémentation résilience même si la faute est injectée lors du calcul l'attaquant ne peut pas exploiter le résultat a fin d'exécuter une attaque DFA. Plusieurs méthodes concrètes pour mettre en oeuvre la résilience pour les chiffrements symétriques sont proposées, parmi lesquelles un mode aléatoire de fonctionnement qui convient pour des cartes à puce a faible coût. Nous proposons d'utiliser les logiques DPL comme méthode de protection. Ces logiques protègent simultanément contre les attaques par observation et par perturbation, et sont moins coûteux que la détection basée sur les codes.

Dans cette thèse nous développons et améliorons des attaques de systèmes cryptographiques. Un nouvel algorithme de décomposition de signal appelé transformation de Hilbert-Huang a été adapté pour améliorer l’efficacité des attaques parcanaux auxiliaires. Cette technique permet de contrecarrer certaines contre-mesures telles que la permutation d’opérations ou l’ajout de bruit à la consommation de courant. La seconde contribution de ce travail est l’application de certaines distributions statistiques de poids de Hamming à l’attaque d’algorithmes de chiffrement par bloc tels que AES, DES ou LED. Ces distributions sont distinctes pour chaque valeur de sous-clef permettent donc de les utiliser comme modèles intrinsèques. Les poids de Hamming peuvent être découverts par des analyses de canaux auxiliaires sans que les clairs ni les chiffrés ne soient accessibles. Cette thèse montre que certaines contremesures peuvent parfois faciliter des attaques. Les contre-mesures contagieuses proposées pour RSA protègent contre les attaques par faute mais ce faisant et moyennant des calculs additionnels facilitent la découverte de la clef. Finalement, des contre-mesures à faible complexité calculatoire sont proposées. Elles sont basées sur le masquage antagoniste, c’est-à-dire, l’exécution d’une opération d’équilibrage sur des données sensibles pour masquer la consommation de courant. / The goal of the thesis is to develop and improve methods for defeating protected cryptosystems. A new signal decompositionalgorithm, called Hilbert Huang Transform, was adapted to increase the efficiency of side-channel attacks. This technique attempts to overcome hiding countermeasures, such as operation shuffling or the adding of noise to the power consumption. The second contribution of this work is the application of specific Hamming weight distributions of block cipher algorithms, including AES, DES, and LED. These distributions are distinct for each subkey value, thus they serve as intrinsic templates. Hamming weight data can be revealed by side-channel and fault attacks without plaintext and ciphertext. Therefore these distributions can be applied against implementations where plaintext and ciphertext are inaccessible. This thesis shows that some countermeasures serve for attacks. Certain infective RSA countermeasures should protect against single fault injection. However, additional computations facilitate key discovery. Finally, several lightweight countermeasures are proposed. The proposed countermeasures are based on the antagonist masking, which is an operation occurring when targeting data processing, to intelligently mask the overall power consumption.