Les implémentations cryptographiques sont vulnérables aux attaques physiques, et ont donc besoin d'en être protégées. Bien sûr, des protections défectueuses sont inutiles. L'utilisation des méthodes formelles permet de développer des systèmes tout en garantissant leur conformité à des spécifications données. Le premier objectif de ma thèse, et son aspect novateur, est de montrer que les méthodes formelles peuvent être utilisées pour prouver non seulement les principes des contre-mesures dans le cadre d'un modèle, mais aussi leurs implémentations, étant donné que c'est là que les vulnérabilités physiques sont exploitées. Mon second objectif est la preuve et l'automatisation des techniques de protection elles-même, car l'écriture manuelle de code est sujette à de nombreuses erreurs, particulièrement lorsqu'il s'agit de code de sécurité. / Implementations of cryptosystems are vulnerable to physical attacks, and thus need to be protected against them. Of course, malfunctioning protections are useless. Formal methods help to develop systems while assessing their conformity to a rigorous specification. The first goal of my thesis, and its innovative aspect, is to show that formal methods can be used to prove not only the principle of the countermeasures according to a model, but also their implementations, as it is where the physical vulnerabilities are exploited. My second goal is the proof and the automation of the protection techniques themselves, because handwritten security code is error-prone.

Les analyses par canaux auxiliaires exploitent les fuites physiques des systèmes embarqués. Ces attaques représentent une réelle menace; c’est pourquoi différentes contre-mesures ont été développées. Cette thèse s’intéresse à la sécurité fournie par ces contre-mesures. Nous étudions leur sécurité dans le contexte où de multiples fuites sont présentes. Il arrive que plusieurs fuites de plusieurs variables puissent être exploitées lors d’analyses par canaux auxiliaires. Dans cette thèse nous présentons la méthode optimale pour exploiter les fuites d’une unique variable. Nous étudions ensuite comment de telles méthodes de réduction de dimensionnalité peuvent être appliquées dans le cas d’implémentations protégées. Nous montrons que ces méthodes voient leur efficacité augmentée avec le niveau de sécurité de l’implémentation. Nous montrons dans cette thèse comment exploiter les fuites de multiples variables pour améliorer les résultats d’analyses par canaux auxiliaires. Nous améliorons en particulier les attaques contre les schémas de masquage avec recalcul de table. Dans ce contexte nous présentons l’attaque optimale. Dans le cas où les schémas avec recalcul de table sont protégés nous montrons que le principal paramètre pour évaluer la sécurité des schémas de masquage, c’est-à-dire l’ordre n’est pas suffisant. Pour finir nous étudions de façon théorique la meilleure attaque possible en présence de masquage et de « shuffling » ce qui généralise le précédent cas d’étude. Dans ce cas nous montrons que l’attaque optimale n’est pas calculable. Pour y remédier, nous présentons une version tronquée de l’attaque optimale avec une meilleure efficacité calculatoire. / Side Channel Attacks are a classical threat against cryptographic algorithms in embedded systems. They aim at exploiting the physical leakages unintentionally emitted by the devices during the execution of their embedded programs to recover sensitive data. As such attacks represent a real threat against embedded systems different countermeasures have been developed. In thesis we investigate their security in presence of multiple leakages. Indeed there often are in the leakage measurements several variables which can be exploited to mount Side Channel Attacks. In particular we show in this thesis the optimal way to exploit multiple leakages of a unique variable. This dimensionality reduction comes with no loss on the overall exploitable information. Based on this result we investigate further how such dimensionality reduction methodscan be applied in the case of protected implementations. We show that the impact of such methods increases with the security “level” of the implementation. We also investigate how to exploit the leakages of multiplevariables in order to improve the results of Side Channel Analysis. We start by improving the attacks against masking schemes, with a precomputed table recomputation step. Some protections have been developed to protect such schemes. As a consequence we investigate the security provided by these protections. In this context we present results which show that the main parameter to evaluate the security of the masking schemes is not sufficient to estimate the global security of the implementation. Finally we show that in the context of masking scheme with shuffling the optimal attack is not computable. As a consequence we present a truncated version of this attack with a better effectiveness.

Dans un environnement virtualisé, l'hyperviseur fournit l'isolation au niveau logiciel, mais l'infrastructure partagée rend possible des attaques au niveau matériel. Les attaques par canaux auxiliaires ainsi que les canaux cachés sont des problèmes bien connus liés aux infrastructures partagées, et en particulier au partage du processeur. Cependant, ces attaques reposent sur des caractéristiques propres à la microarchitecture qui change avec les différentes générations de matériel. Ces dernières années ont vu la progression des calculs généralistes sur processeurs graphiques (aussi appelés GPUs), couplés aux environnements dits cloud. Cette thèse explore ces récentes évolutions, ainsi que leurs conséquences en termes de fuites d'information dans les environnements virtualisés. Premièrement, nous investiguons les microarchitectures des processeurs récents. Notre première contribution est C5, un canal caché sur le cache qui traverse les coeurs d'un processeur, évalué entre deux machines virtuelles. Notre deuxième contribution est la rétro-ingénierie de la fonction d'adressage complexe du dernier niveau de cache des processeurs Intel, rendant la classe des attaques sur les caches facilement réalisable en pratique. Finalement, dans la dernière partie nous investiguons la sécurité de la virtualisation des GPUs. Notre troisième contribution montre que les environnements virtualisés sont susceptibles aux fuites d'informations sur la mémoire d'un GPU. / In a virtualized environment, the hypervisor provides isolation at the software level, but shared infrastructure makes attacks possible at the hardware level. Side and covert channels are well-known issues of shared hardware, and in particular shared processors. However, they rely on microarchitectural features that are changing with the different generations of hardware. The last years have also shown the rise of General-Purpose computing on Graphics Processing Units (GPGPU), coupled to so-called cloud environments. This thesis explores these recent evolutions and their consequences in terms of information leakage in virtualized environments. We first investigate the recent processor microarchitectures. Our first contribution is C5, a cross-core cache covert channel, evaluated between virtual machines. Following this work, our second contribution is the reverse engineering of the complex addressing function of the last-level cache of Intel processors, rendering the class of cache attacks highly practical. In the last part, we investigate the security of GPU virtualization. Our third contribution shows that virtualized environments are susceptible to information leakage from the GPU memory.

Cette thèse aborde la conception et les contremesures permettant d'améliorer le calcul cryptographique matériel léger. Parce que la cryptographie (et la cryptanalyse) sont de nos jours de plus en plus omniprésentes dans notre vie quotidienne, il est crucial que les nouveaux systèmes développés soient suffisamment robustes pour faire face à la quantité croissante de données de traitement sans compromettre la sécurité globale. Ce travail aborde de nombreux sujets liés aux implémentations cryptographiques légères. Les principales contributions de cette thèse sont : - Un nouveau système d'accélération matérielle cryptographique appliqué aux codes BCH ; - Réduction de la consommation des systèmes embarqués et SoCs ; - Contre-mesures légères des attaques par canal auxiliaire applicables à l'algorithme de chiffrement reconfigurable AES ;- CSAC : Un pare-feu sécurisé sur la puce cryptographique ; - Attaques par analyse fréquentielle ; - Un nouveau protocole à divulgation nulle de connaissance appliquée aux réseaux de capteurs sans fil ; - OMD : Un nouveau schéma de chiffrement authentifié. / This thesis addresses lightweight hardware design and countermeasures to improve cryptographic computation. Because cryptography (and cryptanalysis) is nowadays becoming more and more ubiquitous in our daily lives, it is crucial that newly developed systems are robust enough to deal with the increasing amount of processing data without compromising the overall security. This work addresses many different topics related to lightweight cryptographic implementations. The main contributions of this thesis are: - A new cryptographic hardware acceleration scheme applied to BCH codes; - Hardware power minimization applied to SoCs and embedded devices; - Timing and DPA lightweight countermeasures applied to the reconfigurable AES block cipher; - CSAC: A cryptographically secure on-chip firewall; - Frequency analysis attack experiments; - A new zero-knowledge zero-knowledge protocol applied to wireless sensor networks; - OMD: A new authenticated encryption scheme.

Le premier protocole cryptographique basé sur les codes correcteurs d'erreurs a été proposé en 1978 par Robert McEliece. La cryptographie basée sur les codes est dite post-quantique car il n'existe pas à l'heure actuelle d'algorithme capable d'attaquer ce type de protocoles en temps polynomial, même en utilisant un ordinateur quantique, contrairement aux protocoles basés sur des problèmes de théorie des nombres. Toutefois, la sécurité du cryptosystème de McEliece ne repose pas uniquement sur des problèmes mathématiques. L'implantation, logicielle ou matérielle, a également un rôle très important pour sa sécurité et l'étude de celle-ci face aux attaques par canaux auxiliaires/cachés n'a débuté qu'en 2008. Des améliorations sont encore possibles. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles attaques sur le déchiffrement du cryptosystème de McEliece, utilisé avec les codes de Goppa classiques, ainsi que des contre-mesures correspondantes. Les attaques proposées sont des analyses de temps d'exécution ou de consommation d'énergie. Les contre-mesures associées reposent sur des propriétés mathématiques et algorithmiques. Nous montrons qu'il est essentiel de sécuriser l'algorithme de déchiffrement en le considérant dans son ensemble et non pas seulement étape par étape / The first cryptographic protocol based on error-correcting codes was proposed in 1978 by Robert McEliece. Cryptography based on codes is called post-quantum because until now, no algorithm able to attack this kind of protocols in polynomial time, even using a quantum computer, has been proposed. This is in contrast with protocols based on number theory problems like factorization of large numbers, for which efficient Shor's algorithm can be used on quantum computers. Nevertheless, the McEliece cryptosystem security is based not only on mathematical problems. Implementation (in software or hardware) is also very important for its security. Study of side-channel attacks against the McEliece cryptosystem have begun in 2008. Improvements can still be done. In this thesis, we propose new attacks against decryption in the McEliece cryptosystem, used with classical Goppa codes, including corresponding countermeasures. Proposed attacks are based on evaluation of execution time of the algorithm or its power consumption analysis. Associate countermeasures are based on mathematical and algorithmic properties of the underlying algorithm. We show that it is necessary to secure the decryption algorithm by considering it as a whole and not only step by step