Cette thèse est consacrée à l’étude de la sécurité physique des algorithmesde couplage. Les algorithmes de couplage sont depuis une quinzaine d’années utilisésà des fins cryptographiques. D’une part, les systèmes d’information évoluent, et denouveaux besoins de sécurité apparaissent. Les couplages permettent des protocolesinnovants, tels que le chiffrement basé sur l’identité, les attributs et l’échange tripartien un tour. D’autre part, l’implémentation des algorithmes de couplages est devenueefficace, elle permet ainsi d’intégrer des solutions cryptographiques à base de couplagedans les systèmes embarqués.La problématique de l’implémentation sécurisée des couplages dans les systèmesembarqués va être étudiée ici. En effet, l’implémentation d’algorithmes dédiés à lacryptographie sur les systèmes embarqués soulève une problématique : la sécurité del’implémentation des couplages face aux attaques physiques. Les attaques par canauxauxiliaires, dites passives, contre les algorithmes de couplages sont connues depuisbientôt une dizaine d’années. Nous proposons des études pour valider l’efficacité desattaques en pratique et avec des atouts théoriques. De notre connaissance, il y a uneseule attaque pratique dans la littérature, nous l’optimisons d’un facteur dix en termesde nombres de traces. Nous proposons aussi une attaque horizontale, qui nous permetd’attaquer le couplage twisted Ate en une seule trace.Par ailleurs, les contre-mesures n’ont été que peu étudiées. Nous complétons cettepartie manquante de la littérature. Nous proposons de nouveaux modèles d’attaquessur la contre-mesure de randomisation des coordonnées. L’attaque en collision proposéepermet ainsi de donner une réévaluation de la contre-mesure ciblée. Ainsi nousproposons la combinaison de contre-mesures qui, à moindres coûts, protégerait de cesattaques. / This thesis focuses on the resistance of Pairing implementations againstside channel attacks. Pairings have been studied as a cryptographic tool for the pastfifteen years and have been of a growing interest lately. On one hand, Pairings allowthe implementation of innovative protocols such as identity based encryption, attributebased encryption or one round tripartite exchange to address the evolving needs ofinformation systems. On the other hand, the implementation of the pairings algorithmshave become more efficient, allowing their integration into embedded systems.Like for most cryptographic algorithms, side channel attack schemes have beenproposed against Pairing implementations. However most of the schemes describedin the literature so far have had very little validation in practice. In this thesis, westudy the practical feasibility of such attacks by proposing a technique for optimizingcorrelation power analysis on long precision numbers. We hence improve by a factorof 10 the number of side-channel leakage traces needed to recover a 256-bit secret keycompared to what is, to our best knowledge, one of the rare practical implementationsof side channel attacks published. We also propose a horizontal attack, which allow usto attack the twisted Ate pairing using a single trace.In the same way, countermeasures have been proposed to thwart side channel attacks,without any theoretical or practical validation of the efficiency of such countermeasures.We here focus on one of those countermeasures based on coordinatesrandomization and show how a collision attack can be implemented against this countermeasure.As a result, we describe how this countermeasure would have to be implementedto efficiently protect Pairing implementations against side channel attacks.The latter studies raise serious questions about the validation of countermeasures whenintegrated into complex cryptographic schemes like Pairings

Les attaques par canaux auxiliaires telles que l'analyse différentielle de la consommation de courant (DPA) et l'analyse différentielle des émissions électromagnétiques (DEMA) constituent une menace sérieuse pour la sécurité des systèmes embarqués. L'objet de cette thèse est d'étudier les vulnérabilités des implantations logicielles des algorithmes cryptographiques face à ces attaques pour concevoir un processeur d'un nouveau type. Pour cela, nous commençons par identifier les différents éléments des processeurs embarqués qui peuvent être exploités pour obtenir des informations secrètes. Puis, nous introduisons des stratégies qui privilégient un équilibre entre performance et sécurité pour protéger de telles architectures au niveau transfert de registres (RTL). Nous présentons également la conception et l'implantation d'un processeur sécurisé, le SecretBlaze-SCR. Enfin, nous évaluons l'efficacité des solutions proposées contre les analyses électromagnétiques globales et locales à partir de résultats expérimentaux issus d'un prototype du SecretBlaze-SCR réalisé sur FPGA. A travers cette étude de cas, nous montrons qu'une combinaison appropriée de contre-mesures permet d'accroître significativement la résistance aux analyses par canaux auxiliaires des processeurs tout en préservant des performances satisfaisantes pour les systèmes embarqués. / Side-channel attacks such as differential power analysis (DPA) and differential electromagnetic analysis (DEMA) pose a serious threat to the security of embedded systems. The aim of this thesis is to study the side-channel vulnerabilities of software cryptographic implementations in order to create a new class of processor. For that purpose, we start by identifying the different elements of embedded processors that can be exploited to reveal the secret information. Then, we introduce several strategies that seek a balance between performance and security to protect such architectures at the register transfer level (RTL). We also present the design and implementation details of a secure processor, the SecretBlaze-SCR. Finally, we evaluate the effectiveness of the proposed solutions against global and local electromagnetic analyses from experimental results obtained with a FPGA-based SecretBlaze-SCR. Through this case study, we show that a suitable combination of countermeasures significantly increases the side-channel resistance of processors while maintaining satisfactory performance for embedded systems.

Le développement de la société de l'information et de la monnaie virtuelle, a soulevé de nouveaux problèmes aux communautés de la sécurité et du circuit intégré, faisant devenir la cryptologie un outil incontournable permettant de répondre aux exigences sécuritaires telles que l'identification, l'authentification ou la confidentialité. L'intégration des primitives cryptographiques dans différents dispositifs électroniques est largement répandue aujourd'hui dans le domaine des communications, des services financiers, des services gouvernementaux ou de la PayTV. Au premier rang de ces dispositifs, figure la carte à puce. D'après un rapport publié en août 2010, IMS Research prévoit que le marché de la carte à puce atteindra les 5.8 milliards d'unités vendues en fin d'année. La grande majorité est utilisée dans les télécommunications (carte SIM) et les services bancaires. La carte à puce incorpore un circuit intégré qui peut être, soit un processeur dédié aux calculs cryptographiques, soit seulement de la mémoire non-volatile ou les deux. Ces circuits intégrés manipulent et contiennent donc des secrets comme les clefs secrètes ou privées utilisées par les algorithmes de cryptographie symétriques ou asymétriques. Ces clefs doivent donc, rester absolument confidentielles et intègres afin de garantir la chaîne de sécurité. Par conséquent la robustesse des cartes à puces aux attaques cryptographiques est cruciale. En effet, les attaques sur les circuits intégrés sont aujourd'hui très performantes. Elles peuvent être classées selon trois grandes familles : invasives, semi-invasives et non-invasives. 1- Les attaques invasives sont des attaques menées en général par des experts et requièrent du matériel spécifique. 2- Les attaques semi-invasives, famille d'attaques récemment introduite par l'équipe de Ross Anderson, dont le principe est de décapsuler le package contenant le circuit, afin de se positionner le plus proche possible de la surface, sans pour autant en détériorer les fonctionnalités. 3- Les attaques non-invasives ne nécessitent aucune préparation préalable du dispositif soumis aux attaques. Elles consistent à espionner les phénomènes physiques engendrés par la manipulation des données et notamment les clefs secrètes. Les attaques non-invasives peuvent être considérées comme les plus dangereuses, dans la mesure où ce type d'attaque peut être réalisé sans contact avec le circuit. En effet, pendant l'utilisation d'appareils électroniques, les circuits qui les composent sont soumis à des variations de courant et de tension. Ces variations génèrent des ondes électromagnétiques qui se propagent dans le voisinage du circuit. Ces émanations présentent une corrélation avec des informations censées être stockées dans la puce de façon sécurisée (exemple: la clef secrète d'une carte bancaire utilisée pour l'authentification). Plusieurs attaques dites par canaux auxiliaires, et basées sur ces fuites électromagnétiques ont été publiées par la communauté scientifique ces dernières années. Cette thèse a pour objectifs: (a) comprendre les différentes sources des émanations électromagnétiques des circuits intégrés, et de proposer un flot d'attaque électromagnétique localisée et en champ proche afin de tester la robustesse d'un circuit cryptographique contre les attaques et analyses utilisant le canal électromagnétique, et (b) proposer des contre-mesures afin de contrecarrer ces attaques par analyse de champ électromagnétique. Afin d'atteindre ces objectifs, nous présentons, dans un premier temps, une technique efficace nommée WGMSI (Weighted Global Magnitude Squared Incoherence) pour localiser les positions, au-dessus du circuit cryptographique, qui génèrent les émanations électromagnétiques les plus dépendantes des données secrètes. Dans un deuxième temps la WGMSI est utilisée aussi pour améliorer la stabilité et la convergence des différentes attaques électromagnétiques proposées dans la littérature. La suite de la thèse décrit les différentes contre-mesures aux attaques par canaux auxiliaires. En effet, face à ces techniques d'attaques évoluées, il est primordial, de rendre les fonctions cryptographiques implantées dans les circuits intégrés pour la sécurité (confidentialité, authentification, intégrité ... ), inattaquables en un temps raisonnable et ceci même en manipulant des sous-clefs dans des chiffrements par blocs. Pour cela, on se focalisera principalement aux contre-mesures basées sur des logiques différentielles et dynamiques. Ces contre-mesures sont dites par conception, puisqu'elles se situent au niveau des portes logiques qui sont considérées comme les éléments de base pour la conception d'un circuit intégré. Ceci permet une certaine indépendance des algorithmes cryptographiques vis à vis de l'architecture ou de la technologie considérées. Parmi les différentes logiques différentielles et dynamiques, on s'intéressera plus spécifiquement à la logique STTL (Secure Triple Track logic) qui peut être considérée comme une amélioration de la logique double rail, dans la mesure où un troisième rail est ajouté afin de contrecarrer la faiblesse principale de la logique double rail, à savoir l'évaluation anticipée. Enfin, nous présenterons un flot d'implémentation sur FPGA de la logique STTL prouvée robuste aux attaques par analyse de courant, et nous implémenterons un prototype de DES STTL afin de tester sa robustesse aux attaques électromagnétiques localisées en champ proche. / The integration of cryptographic primitives in different electronic devices is widely used today incommunications, financial services, government services or PayTV.Foremost among these devices include the smart card. According to a report published in August 2010, IMS Research forecasts that the smart card market will reach 5.8 billion units sold in this year. The vast majority is used in telecommunications (SIM) and banking.The smart card incorporates an integrated circuit which can be a dedicated processor for cryptographic calculations. Therefore, these integrated circuits contain secrets such as secret or private keys used by the symmetric or asymmetric cryptographic algorithms. These keys must remain absolutely confidential to ensure the safety chain.Therefore the robustness of smart cards against attacks is crucial. These attacks can be classifiedinto three main categories: invasive, semi-invasive and non-invasive.Non-invasive attacks can be considered the most dangerous, since this kind of attack can be achieved without any contact with the circuit.Indeed, while using electronic circuits that compose them are subjected to variations in current and voltage. These variations generate an electromagnetic radiation propagating in the vicinity of the circuit.These radiations are correlated with secret information (eg a secret key used for authentication). Several attacks based on these leakages were published by the scientific community.This thesis aims to: (a) understand the different sources of electromagnetic emanations of integrated circuits, and propose a localized near field attack to test the robustness of a cryptographic circuit and (b) propose counter-measures to these attacks.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la sécurité des appareils mobiles. Pour cela, nous avons exploré les attaques physiques par perturbation (injection de fautes) ainsi que par observation, toutes deux basées sur les émissions électromagnétiques. Nous avons sélectionné deux types de cibles représentant deux catégories d'appareils mobiles. D'une part les microcontrôleurs qui équipent les appareils de type IoT. Et d'autre part les System-on-Chip (SoC) que l'on retrouve sur les smartphones. Nous nous sommes concentrés sur les puces conçue par ARM. Au travers d'attaques physiques nous avons voulu montrer qu'il était possible d'affecter la microarchitecture sur laquelle repose tout le fonctionnement de ces systèmes. Toutes les protections pouvant être mises en place par la suite au niveau logiciel, sont basées sur la microarchitecture et deviennent donc inopérantes lorsque l'on s'attaque à celle-ci. Pour les appareils de type IoT, nous avons mis en évidence la possibilité d'obtenir des informations ou un contrôle total de l'appareil à l'aide d'une injection de faute. Les injections de fautes sont dans ce cas les déclencheurs d'attaques logicielles et permettent d'outrepasser des protections logicielles. Pour les appareils de type smartphone, nous avons dans un premier temps été capable d'extraire des informations contenue à l'intérieur d'un SoC, à l'aide d'une écoute électromagnétique et de la caractérisation du comportement de celui-ci. Dans un deuxième temps, nous avons pu montrer qu'en cas de faute des comportements aléatoire peuvent se produire, tout en caractérisant ces comportements. Démontrant ainsi que sur des systèmes plus complexes, il est tout de même possible d'avoir recours à des attaques physiques. Enfin nous avons proposé des pistes d'améliorations en lien avec nos différentes constatations au cours de ces travaux. / During this thesis, we focused on the security of mobile devices. To do this, we explored physical attacks by perturbation (fault injections) as well as by observation, both based on electromagnetic emissions. We selected two types of targets representing two categories of mobile devices. On the one hand, the microcontrollers that equip IoT devices. And on the other hand the System-on-Chip (SoC) that can be found on smartphones. We focused on the chips designed by ARM. Through physical attacks we wanted to show that it was possible to affect the microarchitecture on which the entire functioning of these systems is based. All the protections that can be implemented later at the software level are based on the microarchitecture and therefore become ineffective when it is attacked. For IoT devices, we have highlighted the possibility of obtaining information or total control of the device by means of a fault injection. In this case, fault injections are used as software attack triggers. They also allow software protection to be bypassed. For smartphone devices, we were initially able to extract information contained within a SoC, using electromagnetic listening and characterization of its behavior. In a second step, we were able to show that in the event of a fault, random behaviours can occur, we characterized and proposed explanations for these behaviours. Demonstrating and on systems more advanced than IoT, it is still possible to use physical attacks. Finally, we proposed possible improvements in relation to our various findings during this work.

Depuis la publication en 1999 du papier fondateur de Paul C. Kocher, Joshua Jaffe et Benjamin Jun, intitulé "Differential Power Analysis", les attaques par canaux auxiliaires se sont révélées être un moyen d’attaque performant contre les algorithmes cryptographiques. En effet, il s’est avéré que l’utilisation d’information extraite de canaux auxiliaires comme le temps d’exécution, la consommation de courant ou les émanations électromagnétiques, pouvait être utilisée pour retrouver des clés secrètes. C’est dans ce contexte que cette thèse propose, dans un premier temps, de traiter le problème de la réduction de dimension. En effet, en vingt ans, la complexité ainsi que la taille des données extraites des canaux auxiliaires n’a cessé de croître. C’est pourquoi la réduction de dimension de ces données permet de réduire le temps et d’augmenter l’efficacité des attaques. Les méthodes de réduction de dimension proposées le sont pour des modèles de fuites complexe et de dimension quelconques. Dans un second temps, une méthode d’évaluation d’algorithmes logiciels est proposée. Celle-ci repose sur l’analyse de l’ensemble des données manipulées lors de l’exécution du logiciel évalué. La méthode proposée est composée de plusieurs fonctionnalités permettant d’accélérer et d’augmenter l’efficacité de l’analyse, notamment dans le contexte d’évaluation d’implémentation de cryptographie en boîte blanche. / Since the publication in 1999 of the seminal paper of Paul C. Kocher, Joshua Jaffe and Benjamin Jun, entitled "Differential Power Analysis", the side-channel attacks have been proved to be efficient ways to attack cryptographic algorithms. Indeed, it has been revealed that the usage of information extracted from the side-channels such as the execution time, the power consumption or the electromagnetic emanations could be used to recover secret keys. In this context, we propose first, to treat the problem of dimensionality reduction. Indeed, since twenty years, the complexity and the size of the data extracted from the side-channels do not stop to grow. That is why the reduction of these data decreases the time and increases the efficiency of these attacks. The dimension reduction is proposed for complex leakage models and any dimension. Second, a software leakage assessment methodology is proposed ; it is based on the analysis of all the manipulated data during the execution of the software. The proposed methodology provides features that speed-up and increase the efficiency of the analysis, especially in the case of white box cryptography.

En cryptographie classique, un algorithme de chiffrement est considéré comme une boîte noire, et un attaquant n'a accès qu'aux textes clairs et chiffrés. Mais un circuit cryptographique émet aussi des informations sensibles lors d'une opération cryptographique, comme sa consommation de courant ou ses émissions électro-magnétiques. Par conséquent, différentes techniques, appelées attaques par canaux auxiliaires, permettent d'exploiter ces fuites d'informations physiques pour casser des algorithmes cryptographiques avec une complexité très faible en comparaison avec les méthodes de la cryptanalyse classique. Dans ce travail, les attaques par canaux auxiliaires basées sur la consommation de courant ou les émissions électro-magnétiques sont d'abord étudiées d'un point de vue algorithmique, et différentes améliorations sont proposées. Ensuite, une attention particulière est consacrée à l'exploitation du canal auxiliaire électro-magnétique, et un flot de simulation des radiations magnétiques des circuits intégrés est proposé et validé sur deux microcontrôleurs. Finalement, certaines contremesures permettant de protéger les algorithmes de chiffrement contre ces menaces, basées sur des styles de logique équilibrées, sont présentées et évaluées. / In cryptography, a cipher is considered as a black-box, and an attacker has only access to plaintexts and ciphertexts. But a real world cryptographic device leaks additionnal sensitive informations during a cryptographic operation, such as power consumption or electro-magnetic radiations. As a result, several techniques, called Side-Channel Attacks, allow exploiting these physical leakages to break ciphers with a very low complexity in comparison with methods of classical cryptanalysis. In this work, power and electro-magnetic Side-Channel Attacks are firstly studied from an algorithmic point-of-view, and some improvements are proposed. Then, a particular attention is given on the exploitation of the electro-magnetic side-channel, and a simulation flow predicting magnetic radiations of ICs is proposed and validated on two microcontrollers. Finally, some countermeasures allowing to protect ciphers against these threats, based on balanced logic styles, are presented and evaluated.

Les systèmes de cryptographie à base de courbe elliptique (ECC) ont été adoptés comme des systèmes standardisés de cryptographie à clé publique (PKC) par l'IEEE, ANSI, NIST, SEC et WTLS. En comparaison avec la PKC traditionnelle, comme RSA et ElGamal, l'ECC offre le même niveau de sécurité avec des clés de plus petites tailles. Cela signifie des calculs plus rapides et une consommation d'énergie plus faible ainsi que des économies de mémoire et de bande passante. Par conséquent, ECC est devenue une technologie indispensable, plus populaire et considérée comme particulièrement adaptée à l'implémentation sur les dispositifs à ressources restreintes tels que les réseaux de capteurs sans fil (WSN). Le problème majeur avec les noeuds de capteurs chez les WSN, dès qu'il s'agit d'opérations cryptographiques, est les limitations de leurs ressources en termes de puissance, d'espace et de temps de réponse, ce qui limite la capacité du capteur à gérer les calculs supplémentaires nécessaires aux opérations cryptographiques. En outre, les mises en oeuvre actuelles de l'ECC sur WSN sont particulièrement vulnérables aux attaques par canaux auxiliaires (SCA), en particulier aux attaques par analyse de consommation (PAA), en raison de l'absence de la sécurité physique par blindage, leur déploiement dans les régions éloignées et le fait qu'elles soient laissées sans surveillance. Ainsi, les concepteurs de crypto-processeurs ECC sur WSN s'efforcent d'introduire des algorithmes et des architectures qui ne sont pas seulement résistants PAA, mais également efficaces sans aucun supplément en termes de temps, puissance et espace. Cette thèse présente plusieurs contributions dans le domaine des cryptoprocesseurs ECC conscientisés aux PAA, pour les dispositifs à ressources limitées comme le WSN. Premièrement, nous proposons deux architectures robustes et efficaces pour les ECC conscientisées au PAA. Ces architectures sont basées sur des algorithmes innovants qui assurent le fonctionnement de base des ECC et qui prévoient une sécurisation de l'ECC contre les PAA simples (SPA) sur les dispositifs à ressources limitées tels que les WSN. Deuxièmement, nous proposons deux architectures additionnelles qui prévoient une sécurisation des ECC contre les PAA différentiels (DPA). Troisièmement, un total de huit architectures qui incluent, en plus des quatre architectures citées ci-dessus pour SPA et DPA, deux autres architectures dérivées de l'architecture DPA conscientisée, ainsi que deux architectures PAA conscientisées. Les huit architectures proposées sont synthétisées en utilisant la technologie des réseaux de portes programmables in situ (FPGA). Quatrièmement, les huit architectures sont analysées et évaluées, et leurs performances comparées. En plus, une comparaison plus avancée effectuée sur le niveau de la complexité du coût (temps, puissance, et espace), fournit un cadre pour les concepteurs d'architecture pour sélectionner la conception la plus appropriée. Nos résultats montrent un avantage significatif de nos architectures proposées par rapport à la complexité du coût, en comparaison à d'autres solutions proposées récemment dans le domaine de la recherche.

Dans cette thèse, je propose des architectures de coprocesseurs haute performance pour implémenter les primitives de cryptographie asymétrique, comme le RSA, les courbes elliptiques ou le couplage. Les coprocesseurs décrits dans cette thèse ont été implémentés dans des FPGA, et présentent des performances jamais égalées auparavant dans la littérature publique sur ce type de technologie. La particularité de ces architectures est l'utilisation du Residue Number System, un mode de représentation alternatif qui utilise les restes chinois pour calculer efficacement les opérations arithmétiques sur les grands nombres. Ces travaux permettent de confirmer expérimentalement les avantages théoriques de ce mode de représentation pour l'arithmétique modulaire, issus de [14, 13, 43]. Au bénéfice théorique que le RNS apporte s'ajoute une forte capacité de parallélisation qui permet d'obtenir des designs réguliers et pipelinés, proposant une fréquence maximale importante tout en réalisant les opérations modulaires dans un nombre très faible de cycles, et ce quelle que soit la taille des nombres. A titre d'exemple, une multiplication scalaire sur une courbe de 160 bits s'effectue en 0.57 ms sur un Altera Stratix, et en 4 ms pour une courbe de 512 bits, là ou les techniques de représentation classiques réalisent la même opération en le double de temps, à technologie équivalente (excepté pour des courbes particulières). Dans le cas du couplage, le gain est encore plus intéressant, puisqu'il a permis une division par 4 de latence de la meilleure implémentation sur corps de grande caractéristique au moment de la publication de [35], et la première implémentation d'un couplage à 128 bits de sécurité sur corps de grande caractéristique à descendre en dessous de la milliseconde. Enfin, je démontre la capacité du RNS à sécuriser une implémentation haute performance, en proposant 2 contre-mesures contre les canaux auxiliaires et les fautes s'adaptant efficacement sur les coprocesseurs et pouvant être utilisées pour toutes les primitives cryptographiques basées sur l'arithmétique modulaire de grands nombres.

Les attaques par canaux auxiliaires sont les attaques les plus efficaces contre les systèmes cryptographiques. Alors que les attaques classiques n’exploitent que les entrées et sorties des algorithmes cryptographiques, les attaques par canaux auxiliaires utilisent également les fuites physiques du composant sous-jacent. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux attaques par canaux auxiliaires qui exploitent la consommation de courant des composants pour retrouver les clefs secrètes. Ces attaques sont désignées par le terme attaques par analyse de courant. La majorité des attaques par analyse de courant existantes repose sur l’observation de variables dépendant uniquement de quelques bits de secret avec la stratégie diviser-pour-régner. Dans cette thèse, nous exhibons de nouvelles attaques qui exploitent l’observation de variables intermédiaires largement dépendantes de grands secrets. Notamment, nous montrons qu’en observant uniquement la fuite physique du résultat d’une multiplication de Galois entre une clef secrète de 128 bits et plusieurs messages connus, nous pouvons en déduire un système d’équations avec erreurs puis retrouver cette clef secrète. En parallèle, nous nous intéressons aux deux contre-mesures algorithmiques les plus répandues contre ces attaques par analyse de courant : les fonctions intrinsèquement résistantes aux fuites physiques et les schémas de masquage. Dans un premier temps, nous définissons un schéma de chiffrement résistant aux fuites physiques qui repose sur un rafraîchissement régulier de la clef secrète. Nous prouvons la sécurité de ce schéma dans le modèle de cryptographie résistante aux fuites (en anglais, leakage-resilient cryptography). Dans un second temps, nous construisons, à l’aide des méthodes formelles, un outil permettant de vérifier automatiquement la sécurité d’implémentations masquées. Nous exhibons également de nouvelles propriétés de sécurité, ainsi que des propriétés de composition qui nous permettent de générer une implémentation masquée à n’importe quel ordre à partir d’une implémentation non protégée. Finalement, nous présentons une étude de comparaison entre ces deux contre-mesures algorithmiques dans le but d’aider les experts industriels à déterminer la meilleure protection à intégrer dans leurs produits en fonction de leurs contraintes en termes de sécurité et de performances. / Side-channel attacks are the most efficient attacks against cryptosystems. While the classical blackbox attacks only exploit the inputs and outputs of cryptographic algorithms, side-channel attacks also get use of the physical leakage released by the underlying device during algorithms executions. In this thesis, we focus on one kind of side-channel attacks which exploits the power consumption of the underlying device to recover the algorithms secret keys. They are gathered under the term power-analysis attacks. Most of the existing power-analysis attacks rely on the observations of variables which only depend on a few secret bits using a divide-and-conquer strategy. In this thesis, we exhibit new kinds of attacks which exploit the observation of intermediate variables highly dependent on huge secrets. In particular, we show how to recover a 128-bit key by only recording the leakage of the Galois multiplication’s results between several known messages and this secret key. We also study two commonly used algorithmic countermeasures against side-channel attacks: leakage resilience and masking. On the one hand, we define a leakage-resilient encryption scheme based on a regular update of the secret key and we prove its security. On the other hand, we build, using formal methods, a tool to automatically verify the security of masked algorithms. We also exhibit new security and compositional properties which can be used to generate masked algorithms at any security order from their unprotected versions. Finally, we propose a comparison between these two countermeasures in order to help industrial experts to determine the best protection to integrate in their products, according to their constraints in terms of security and performances.

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.