De nos jours, l'emploi de la cryptographie est largement répandu et les circuits intègrent des primitives cryptographiques pour répondre à des besoins d'identification, de confidentialité, ... dans de nombreux domaines comme la communication, la PayTV, ...La sécurisation de ces circuits est donc un enjeu majeur. Les attaques par canaux cachés consistent à espionner ces circuits par différents biais comme le temps de calcul, la consommation en courant ou les émanations électromagnétiques pour obtenir des informations sur les calculs effectués et retrouver des secrets comme les clefs de chiffrement. Ces attaques ont l'avantage d'être indétectables, peu couteuses et ont fait l'objet des nombreuses études. Dans le cadre des attaques par analyse de la consommation en courant ou des émanations électromagnétiques l'acquisition de bonnes courbes est un point crucial. Malgré la forte utilisation de techniques de prétraitement dans la littérature, personne n'a tenté d'établir un modèle de fuite dans le domaine fréquentiel. Les travaux effectués durant cette thèse se concentrent donc sur cet aspect avec pour intérêt d'améliorer l'efficacité des attaques. De plus, de nouvelles attaques dans le domaine fréquentiel sont proposées, sujet peu étudié malgré l'intérêt de pouvoir exploiter plus efficacement la fuite éparpillée dans le temps. / Nowadays, the use of cryptography is widely spread, and a lot of devices provide cryptographic functions to satisfy needs such as identification, confidentiality, ... in several fields like communication, PayTV, ...Security of these devices is thus a major issue.Side Channel Attacks consist in spying a circuit through different means like the computation time, power consumption or electromagnetic emissions to get information on the performed calculus and discover secrets such as the cipher keys.These attacks have the advantage to be cheap and undetectable, and have been studied a lot.In the context of attacks analysing the power consumption or the electromagnetic emissions, the acquisition of good traces is a crucial point.Despite the high use of preprocessing techniques in the literature, nobody has attempted to model the leakage in the frequency domain.The works performed during this thesis are focusing on this topic with the motivation of improving the efficiency of attacks.What's more, new frequency domain attacks are proposed, subject poorly studied despite the advantage of better exploiting the leakage spread in time.

Cette thèse donne un aperçu des différentes attaques que doivent contrer les implémentations et propose quelques solutions en distinguant trois niveaux, le niveau hardware, le niveau mathématique et le niveau algorithmique. L'état de l'art fait au chapitre 2 montre bien que les possibilités données à l'attaquant sont multiples et variées. Au niveau hardware, les résultats obtenus dans le projet ESPASS-IS ont motivé la définition de nouveaux projets entre le laboratoire TIMA, le LIRMM et STMicroelectronics . Au niveau mathématique, la mise en ÷uvre de LRA et la collaboration initiée avec le LIRMM a ouvert la voie à de nombreux sujets de recherches vers des arithmétiques à la fois rapides et compactes mais prenant en compte un nouvel élément d'optimisation : la robustesse aux injections de fautes et la minimisation des fuites au travers des canaux cachés. Au niveau algorithmique particulièrement, l'article publié à CHES'00 a fait parti de la toute première vague de travaux de sécurisation des implémentations des courbes elliptiques et constitue une publication très citée dans le domaine.

Ce travail constitue une étude sur la conception d'une architecture reconfigurable pour la<br />cryptographie. Divers aspects sont étudiés, tels que les principes de base de la cryptographie,<br />l'arithmétique modulaire, les attaques matériaux et les architectures reconfigurables. Des méthodes<br />originales pour contrecarrer les attaques par canaux cachés, notamment la DPA, sont proposés.<br />L'architecture proposée est efficace du point de vue de la performance et surtout est robuste contre<br />la DPA.

Dans le cadre de la sécurité des systèmes embarqués, il est nécessaire de connaître les attaques logicielles et physiques pouvant briser la sécurité de composants cryptographiques garantissant l’intégrité, la fiabilité et la confidentialité des données. Etant donné que les algorithmes utilisés aujourd’hui comme Advanced Encryption Standard (AES) sont considérés comme résistants contre la cryptanalyse linéaire et différentielle, d’autres méthodes plus insidieuses sont utilisées pour récupérer les secrets de ces composants. En effet, la clé secrète utilisée pour le chiffrement de données peut fuiter pendant l’algorithme. Il est ainsi possible de mesurer cette fuite et de l’exploiter. Cette technique est appelée attaque par canal auxiliaire.Le principal objectif de ce manuscrit de thèse est de consolider les connaissances théoriques sur ce type de menace. Pour cela, nous appliquons des résultats de théorie de l’information à l’ étude par canal auxiliaire. Nous montrons ainsi comment il est possible de comparer un modèle de fuite par canal auxiliaire à un modèle de transmission de l’information. Dans un premier temps, nous montrons que la sécurité d’un composant est fortement dépendante du rapport signal à bruit de la fuite. Ce résultat a un impact fort car il ne dépend pas de l’attaque choisie. Lorsqu’un designer équipe son produit, il ne connaît pas encore la manière dont son système embarqué pourra être attaque plusieurs années plus tard. Les outils mathématiques proposés dans ce manuscrit pourront aider les concepteurs à estimer le niveau de fiabilité de leurs puces électroniques. / In the field of the security of the embeded systems, it is necessary to know and understandthe possible physical attacks that could break the security of cryptographic components. Sincethe current algorithms such as Advanced Encryption Standard (AES) are very resilient agaisntdifferential and linear cryptanalysis, other methods are used to recover the secrets of thesecomponents. Indeed, the secret key used to encrypt data leaks during the computation of thealgorithm, and it is possible to measure this leakage and exploit it. This technique to recoverthe secret key is called side-channel analysis.The main target of this Ph. D. manuscript is to increase and consolidate the knowledge onthe side-channel threat. To do so, we apply some information theoretic results to side-channelanalysis. The main objective is show how a side-channel leaking model can be seen as acommunication channel.We first show that the security of a chip is dependant to the signal-to-noise ratio (SNR) ofthe leakage. This result is very usefull since it is a genereic result independant from the attack.When a designer builds a chip, he might not be able to know in advance how his embededsystem will be attacked, maybe several years later. The tools that we provide in this manuscriptwill help designers to estimated the level of fiability of their chips.

Depuis plusieurs années, les composants dédiés à la sécurité comme les cartes à puce sont soumises à des attaques dites par canaux cachés. Ces attaques permettent d'exhiber les secrets en analysant des caractéristiques physiques comme la consommation du composant ou encore son temps d'exécution. Dans le cadre de cette thèse, deux contremesures ont été réalisées et appliquées à l'AES (algorithme de chiffrement symétrique). De plus, afin d'aider les développements futurs des contremesures et la validation de celles-ci, un simulateur a été développé. Il permet de réaliser des attaques grâce à un modèle de consommation défini dans les phases amont de développement. Enfin, j'ai pu participer aux groupes de travail qui ont proposé Shabal à la compétition SHA-3, qui vise à définir un nouveau standard pour les fonctions de hachage. Des implantations matérielles ont été réalisées par la suite. / For several years, the security components such as smart cards are subject to side channel attacks. These attacks allow to exhibit secrets by analyzing the physical characteristics such as power consumption or execution time. As part of this thesis, two countermeasures were carried out and applied to the AES (symmetric cipher). In addition, to help future development of countermeasures and their validation, a simulator was developed. It realizes attacks using a power consumption model defined in the early phases of development. Finally, I participated in working groups that have proposed Shabal to SHA-3 competition, which aims to define a new standard for hash functions. Hardware implementations have been made thereafter.

De nos jours, les concepteurs de dispositifs cryptographiques doivent non seulement mettre en œuvre des algorithmes robustes, mais ils doivent également s'assurer qu'il n'y ait pas de fuites d'informations à travers plusieurs canaux latéraux lors de l'exécution d'un algorithme. En effet, si ce n'est pas le cas, les implémentations cryptographiques, tant symétriques qu'asymétriques, seront vulnérables aux attaques par canaux auxiliaires. Pour les algorithmes à clé publique tels que le RSA, l'opération principale que doit être rendue robuste est l'exponentiation modulaire sur un anneau fini. Les principales solutions (contremesures) permettant de rendre robuste l'exponentiation modulaire à ces attaques par canaux auxiliaires sont basées sur la randomisation des données traitées. La randomisation de l'exposant et celle des messages sont en effet des techniques particulièrement efficaces pour contrecarrer les attaques par collision et par analyse des corrélations verticales. Toutefois, ces solutions éculées montrent leurs limites par rapport aux attaques dites horizontales qui n'exploitent qu'une exponentiation. Dans ce contexte, ce document relate le travail de conception, tant matériel que logiciel, d'un chiffreur RSA basé sur les systèmes modulaires de représentation des nombres (RNS). Ce chiffreur incorpore différentes contremesures définies à divers niveaux d'abstraction. L'évaluation de sa robustesse aux attaques par canaux cachés tant horizontales que verticales a démontré sa pertinence. / Not only designers of cryptographic devices have to implement the algorithmsefficiently, they also have to ensure that sensible information that leaks throughseveral side-channels (time, temperature, power consumption, electromagneticemanations, etc.) during the execution of an algorithm, remains unexploitedby an attacker. If not sufficiently protected, both symmetric and asymmetriccryptographic implementations are vulnerable to these so-called side-channelattacks (SCA). For public-key algorithms such as RSA, the main operation to bearmoured consists of a multi-digit exponentiation over a finite ring.Countermeasures to defeat most of side-channel attacks onexponentiations are based on randomization of processed data. The exponentand the message blinding are particular techniques to thwartsimple, collisions, differential and correlation analyses. Attacks based ona single (trace) execution of exponentiations, like horizontal correlationanalysis and profiled template attacks, have shown to be efficient againstmost of popular countermeasures.This work proposes a hardware and software implementations of RSA based on Residue Number System (RNS). Different countermeasures are implemented on different abstraction levels. Then, chosen-message and correlation attacks, based on both multi-trace and single-trace attacks are applied to evaluate the robustness of adopted countermeasures. Finally, we propose an improved single-execution attack based on unsupervised learning and multi-resolution analysis using the wavelet transform.

De nos jours, les attaques par canaux auxiliaires sont facilement réalisables et très puissantes face aux implémentations cryptographiques. Cela pose une sérieuse menace en ce qui concerne la sécurité des crypto-systèmes. En effet, l'exécution d'un algorithme cryptographique produit inévitablement des fuites d'information liées aux données internes manipulées par le cryptosystèmes à travers des canaux auxiliaires (temps, température, consommation de courant, émissions électro-magnétiques, etc.). Certaines d'entre elles étant sensibles, un attaquant peut donc les exploiter afin de retrouver la clé secrète. Une des étapes les plus importantes d'une attaque par canaux auxiliaires est de quantifier la dépendance entre une quantité physique mesurée et un modèle de fuite supposé. Pour se faire, un outil statistique, aussi appelé distingueur, est utilisé dans le but de trouver une estimation de la clé secrète. Dans la littérature, une pléthore de distingueurs a été proposée. Cette thèse porte sur l'attaque utilisant l'information mutuelle comme distingueur, appelé l'attaque par information mutuelle. Dans un premier temps, nous proposons de combler le fossé d'un des problèmes majeurs concernant l'estimation du coefficient d'information mutuelle, lui-même demandant l'estimation de densité. Nos investigations ont été menées en utilisant une méthode non paramétrique pour l'estimation de densité: l'estimation par noyau. Une approche de sélection de la largeur de fenêtre basée sur l'adaptativité est proposée sous forme d'un critère (spécifique au cas des attaques par canaux auxiliaires). Par conséquent, une analyse est menée pour donner une ligne directrice afin de rendre l'attaque par information mutuelle optimale et générique selon la largeur de fenêtre mais aussi d'établir quel contexte (relié au moment statistique de la fuite) est plus favorable pour l'attaque par information mutuelle. Dans un second temps, nous abordons un autre problème lié au temps de calcul élevé (étroitement lié à la largeur de la fenêtre) de l'attaque par information mutuelle utilisant la méthode du noyau. Nous évaluons un algorithme appelé Arbre Dual permettant des évaluations rapides de fonctions noyau. Nous avons aussi montré expérimentalement que l'attaque par information mutuelle dans le domaine fréquentiel, est efficace et rapide quand celle-ci est combinée avec l'utilisation d'un modèle fréquentiel de fuite. En outre, nous avons aussi suggéré une extension d'une méthode déjà existante pour détecter une fuite basée sur un moment statistique d'ordre supérieur. / Nowadays, Side-Channel Analysis (SCA) are easy-to-implement whilst powerful attacks against cryptographic implementations posing a serious threat to the security of cryptosystems for the designers. Indeed, the execution of cryptographic algorithms unvoidably leaks information about internally manipulated data of the cryptosystem through side-channels (time, temperature, power consumption, electromagnetic emanations, etc), for which some of them are sensible(depending on the secret key). One of the most important SCA steps for an adversary is to quantify the dependency between the measured side-channel leakage and an assumed leakage model using a statistical tool, also called distinguisher, in order to find an estimation of the secret key. In the SCA literature, a plethora of distinguishers have been proposed. This thesis focuses on Mutual Information (MI) based attacks, the so-called Mutual Information Analysis (MIA) and proposes to fill the gap of the major practical issue consisting in estimating MI index which itself requires the estimation of underlying distributions. Investigations are conducted using the popular statistical technique for estimating the underlying density distribution with minimal assumptions: Kernel Density Estimation (KDE). First, a bandwidth selection scheme based on an adaptivity criterion is proposed. This criterion is specific to SCA.As a result, an in-depth analysis is conducted in order to provide a guideline to make MIA efficient and generic with respect to this tuning hyperparameter but also to establish which attack context (connected to the statistical moment of leakage) is favorable of MIA. Then, we address another issue of the kernel-based MIA lying in the computational burden through a so-called Dual-Tree algorithm allowing fast evaluations of 'pair-wise` kernel functions. We also showed that MIA running into the frequency domain is really effective and fast when combined with the use of an accurate frequency leakage model. Additionally, we suggested an extension of an existing method to detect leakage embedded on higher-order statistical moments.

Depuis la fin des années 90, les cryptosystèmes implantés sur carte à puce doivent faire face à deux grandes catégories d'attaques : les attaques par canaux cachés et les attaques par injection de fautes. Pour s'en prémunir, des contre-mesures sont élaborées, puis validées en considérant un modèle d'attaquant bien défini. Les travaux réalisés dans cette thèse se concentrent sur la protection des cryptosystèmes symétriques contre les attaques par canaux cachés. Plus précisément, on s'intéresse aux contre-mesures de masquage permettant de se prémunir des attaques statistiques d'ordre supérieur pour lesquelles un attaquant est capable de cibler t valeurs intermédiaires. Après avoir rappelé l'analogie entre les contre-mesures de masquage et les schémas de partage de secret, on présente la construction des schémas de partage de secret à partir de codes linéaires, introduite par James L. Massey en 1993. En adaptant cette construction et des outils issus du calcul multi-parties, on propose une méthode générique de contre-mesure de masquage résistante aux attaques statistiques d'ordre supérieur. De plus, en fonction des cryptosystèmes à protéger et donc des opérations à effectuer, cette solution permet d'optimiserle coût induit par les contre-mesures en sélectionnant les codes les plus adéquats. Dans cette optique, on propose deux contre-mesures de masquage pour implanter le cryptosystème AES. La première est basée sur une famille de code d'évaluation proche de celle utilisée pour le schéma de partage de secret de Shamir, tandis que la seconde considéré la famille des codes auto-duaux et faiblement auto-duaux ayant leur matrice génératrice à coefficient sur F2 ou F4. Ces deux alternatives se révèlent plus efficaces que les contremesures de masquage publiées en 2011 et basées sur le schéma de partage de secret de Shamir. De plus la seconde s'avère compétitive pour t=1 comparée aux solutions usuelles. / Since the late 90s, the implementation of cryptosystems on smart card faces two kinds of attacks : side-channel attacks and fault injection attacks. Countermeasures are then developed and validated by considering a well-defined attacker model. This thesis focuses on the protection of symmetric cryptosystems against side-channel attacks. Specifically, we are interested in masking countermeasures in order to tackle high-order attacks for which an attacker is capable of targeting t intermediate values. After recalling the analogy between masking countermeasures and secret sharing schemes, the construction of secret sharing schemes from linear codes introduced by James L. Massey in 1993 is presented.By adapting this construction together with tools from the field of Multi-Party Computation, we propose a generic masking countermeasure resistant to high-order attacks. Furthermore, depending on the cryptosystem to protect, this solution optimizes the cost of the countermeasure by selecting the most appropriate code. In this context, we propose two countermeasures to implement the AES cryptosystem. The first is based on a family of evaluation codes similar to the Reed Solomon code used in the secret sharing scheme of Shamir. The second considers the family of self-dual and self-orthogonal codes generated by a matrix defined over GF(2) or GF(4). These two alternatives are more effective than masking countermeasures from 2011 based on Shamir's secret sharing scheme. Moreover, for t=1, the second solution is competitive with usual solutions.

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.

Cette thèse porte sur la conception et la validation d'un FPGA dédié à des applications sensibles nécessitant un haut niveau de sécurité et de confidentialité. Les FPGAs usuels présentent de nombreuses failles vis-à-vis de la sécurité : 1- Ils ne permettent pas une implémentation efficace de circuits logiques alternatifs, tels que les circuits asynchrones. 2- Le placement et le routage d'un circuit ne peuvent être complètement maîtrisés pour garantir une conception sécuritaire. 3- Ils ne sont pas protégés contre les attaques par canaux cachés tels que la DPA, l'EMA ou la DFA. Afin de lever ces obstacles technologiques, les travaux entrepris dans cette thèse ont permis de proposer une architecture autorisant la programmation de différents styles de circuits asynchrones, de disposer d'un système de programmation compatible avec les objectifs de sécurité et d'une conception garantissant un haut niveau de protection vis-à-vis des attaques citées ci-dessus. Enfin, une validation matérielle du prototype a permis d'appréhender la pertinence des modèles développés