Le besoin securitaire lie au developpement des cartes a puce intelligentes impose de fortes contraintes quant a la robustesse de fonctionnement de ces dispositifs afin de garantir des performances optimales dans un environnement sans cesse perturbe. Depuis Trois ans, des effets d'annonces, suivies de prudentes introductions commerciales, se sont multiplies pour promouvoir aupres des operateurs telecoms un nouveau concept de carte SIM : une carte, Mega, Very Large ou SuperSIM, offrant des capacites memoires etendues aptes a supporter de nouveaux services de gestion de contenus et, surtout, disposant d'un protocole de communication bien plus rapide que celui specifie par l'ISO7816-3 (9, 6kbits/s en standard). L'augmentation de ce taux de transfert est donc un enjeu important pour ce marche. Une des solutions envisagees serait d'utiliser la performance de la norme USB (Universal Serial Bus) qui est une interface rapide, bidirectionnelle, isochrone et de faible cout, dont les connections sont gerees dynamiquement. En depit de sa simplicite, cette solution a un cout. En effet, l'isochronisme n'est pas assure par le transfert d'une base de temps au travers de la connexion. Ainsi le lecteur et l'element connecte (host et device) doivent generer leurs propre reference. Cependant, celles-ci doivent avoir une precision compatible, aussi bien au niveau des taux de transfert que du nombre d'elements faisant partie de la chaine de communication. L'objectif de cette these est d'une part, la recherche de solutions innovantes et de faible cout permettant la recuperation d'horloge lors de la transmition de donnees entre la carte a puce et son lecteur en se servant du protocole USB, et d'autre part, de demontrer la faisabilite de la solution par l'implementation d'une structure robuste, a faible puissance, pour les applications Smart-Card.

Les circuits microélectroniques sécuritaires sont de plus en plus présents dans notre quotidien (carte à puce, carte SIM) et ils renferment des informations sensibles qu'il faut protéger (numéro de compte, clé de chiffrement, données personnelles).<br /> Récemment, des attaques sur les algorithmes de cryptographie basées sur l'utilisation de fautes ont fait leur apparition. L'ajout d'une faute lors d'un calcul du circuit permet d'obtenir un résultat faux. À partir d'un certain nombre de résultats corrects et de résultats faux correspondants, il est possible d'obtenir des informations secrètes et dans certains cas des clés cryptographiques complètes.<br /> Cependant, les perturbations physiques utilisées en pratique (impulsion laser, radiations, changement rapide de la tension d'alimentation) correspondent rarement aux types de fautes nécessaires pour réaliser ces attaques théoriques.<br /> Dans ce travail, nous proposons une méthodologie pour tester les circuits face aux attaques par faute en utilisant de la simulation. L'utilisation de la simulation permet de tester le circuit avant la réalisation physique mais nécessite beaucoup de<br />temps. C'est pour cela que notre méthodologie aide l'utilisateur à choisir les fautes les plus importantes pour réduire significativement le temps de simulation.<br /> L'outil et la méthodologie associée ont été testés sur un circuit cryptographique (AES) en utilisant un modèle de faute utilisant des délais. Nous avons notamment montré que l'utilisation de délais pour réaliser des fautes permet de générer des fautes correspondantes à des attaques connues.

Les circuits cryptographiques peuvent etre victimes d'attaques en fautes visant leur implementation materielle. elles consistent a creer des fautes intentionnelles lors des calculs cryptographiques afin d'en deduire des informations confidentielles. dans le contexte de la caracterisation securitaire des circuits, nous avons ete amenes a nous interroger sur la faisabilite experimentale de certains modeles theoriques d'attaques. nous avons utilise un banc laser comme moyen d'injection de fautes.dans un premier temps, nous avons effectue des attaques en fautes dfa par laser sur un microcontroleur implementant un algorithme de cryptographie aes. nous avons reussi a exclure l'effet logique des fautes ne correspondants pas aux modeles d'attaque par un jeu precis sur l'instant et le lieu d'injection. en outre, nous avons identifie de nouvelles attaques dfa plus elargies.ensuite, nous avons etendu nos recherches a la decouverte et la mise en place de nouveaux modeles d'attaques en fautes. grace a la precision obtenue lors de nos premiers travaux, nous avons developpe ces nouvelles attaques de modification de rondes.en conclusion, les travaux precedents constituent un avertissement sur la faisabilite averee des attaques par laser decrites dans la litterature scientifique. nos essais ont temoigne de la faisabilite toujours actuelle de la mise en place des attaques mono-octets ou mono-bits avec un faisceau de laser qui rencontre plusieurs octets ; et egalement reveler de nouvelles possibilites d'attaque. cela nous a amenes a etudier des contre-mesures adaptees.

Cette thèse s’intéresse aux effets des attaques par fautes physiques sur le code d’un système embarqué en particulier la carte à puce. De telles attaques peuvent compromettre la sécurité du système en donnant accès à des informations confidentielles, en compromettant l’intégrité de données sensibles ou en perturbant le fonctionnement pendant l’exécution. Dans cette thèse, nous décrivons des propriétés de sécurité permettant d’exprimer les garanties du système et établissons un modèle d’attaque de haut niveau définissant les capacités d’un attaquant à modifier le système. Ces propriétés et ce modèle nous servent à vérifier la sécurité du code par analyse statique ou test dynamique, combinés avec l’injection d’attaques, simulant les conséquences logicielles des fautes physiques. Deux méthodologies sont ainsi développées afin de vérifier le comportement fonctionnel du code sous attaques, tester le fonctionnement des sécurités implémentées et identifier de nouvelles attaques. Ces méthodologies ont été mises en oeuvre dans un cadre industriel afin de faciliter le travail du développeur chargé de sécuriser un code de carte à puce. / This thesis focuses on the effects of attacks by physical faults on embedded source code specifically for smart cards. Such attacks can compromise the security of the system by providing access to confidential information, compromising the integrity of sensitive data or disrupting the execution flow. In this thesis, we describe security properties to express security guarantees on the system. We also offer an attack model defining at high level an attacker’s ability to disrupt the system. With these properties and model, we check the source code security against physical attacks. We use static analysis and dynamic testing, combined with attack injection to simulate the consequences of physical faults at software level. Two techniques are created to stress the functional behavior of the code under attack, test the reliability of built-in security countermeasures and identify new threats. These techniques were implemented in a framework to help developers secure their source code in an industrial environment.

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.

Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de faciliter les évaluations sécuritaires des logiciels embarqués dans les cartes à puce. En premier lieu, nous avons mis au point un environnement logiciel dédié à l'analyse de la résistance d'implémentations d'algorithmes cryptographiques face à des attaques par analyse de la consommation de courant. Cet environnement doit être vu comme un outil pour rechercher des fuites d'information dans une implémentation en vue d'évaluer la faisabilité d'une attaque sur le produit réel. En second lieu, nous nous sommes intéressé à l'analyse de programmes écrits en langage d'assemblage AVR dans le but de vérifier s'ils sont vulnérables aux \textsl{timing attacks}. Nous avons donc développé un outil qui consiste à décrire des chemins du flot de contrôle d'un programme grâce à des expressions régulières qui seront par la suite interprétées par notre outil afin de donner leur temps exact d'exécution (en terme de cycles d'horloge). Enfin, nous avons étudié comment faciliter la compréhension de programmes écrits en langage C dans le but de vérifier si des politiques de sécurité sont correctement implémentées. D'une part, nous fournissons des assistants de navigation qui au travers d'informations concernant les variables et procédures rencontrées, facilitent la compréhension du programme. D'autre part, nous avons au point une manière de vérifier les politiques de sécurité sans modélisation préalable (e.g. avec un automate à états finis) au moyen de requêtes exprimées dans la logique CTL. / The work presented in this thesis aims at easing the evaluation process of smartcards embedded software. On one hand, we set up a software environment dedicated to analyze the implementation resistance of cryptographic to power analysis attacks. This environment must be seen as a tool that facilitates a real attack by giving a way to find information leakages in an implementation. On the other hand, we focused on analyzing program written in AVR assembly language in order to check whether they are vulnerable to timing attacks. To achieve this goal we have developed a tool that makes possible the description of a path in the control flow of the program thanks to regular expressions. Those regular expressions will be interpreted by our tool in order to give the exact execution timing (expressed in clock cycles). Finally, we studied how to ease the global comprehension of a program written in C language in order to check whether security policies are well implemented. First, we provide graphical navigation assisants that helps to understand the progam being analyzed by giving information on variables and procedures. Then, we provide a way to check the security policies through the use of requests expressed with the CTL logic. This approach does not need prior modelisation of the program.

Ces travaux de thèse se concentrent sur l'étude des attaques par canaux cachés et les implications sur les mesures à prendre pour un concepteur de circuits sécurisés. Nous nous intéressons d'abord aux différentes attaques par canaux cachés en proposant une amélioration pour un type d'attaque générique particulièrement intéressante : l'attaque par analyse d'information mutuelle. Nous étudions l'effet des différentes techniques d'estimation d'entropie sur les résultats de l'attaque. Nous proposons l'utilisation de fonctions B-splines comme estimateurs étant donné qu'elles sont bien adaptées à notre scénario d'attaques par canaux cachés. Nous étudions aussi l'impact que peut avoir ce type d'attaques sur un cryptosystème symétrique connu, l'Advanced Encryption Standard (AES), en proposant une contre-mesure basée sur la structure algébrique de l'AES. L'opération principale de la majorité des systèmes ECC est la multiplication scalaire qui consiste à additionner un certain nombre de fois un point de courbe elliptique avec lui-même. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la sécurisation de cette opération. Nous proposons un algorithme de multiplication scalaire à la fois efficace et résistant face aux principales attaques par canaux cachés. Nous étudions enfin les couplages, une construction mathématique basée sur les courbes elliptiques, qui possède des propriétés intéressantes pour la création de nouveaux protocoles cryptographiques. Nous évaluons finalement la résistance aux attaques par canaux cachés de ces constructions. / This thesis focuses on the study of side-channel attacks as well as their consequences on the secure implementation of cryptographic algorithms. We first analyze different side-channel attacks and we propose an improvement of a particularly interesting generic attack: the mutual information analysis. We study the effect of state of the art entropy estimation techniques on the results of the attack. We propose the use of B-spline funtions as estimators as they are well suited to the side-channel attack scenario. We also investigate the consequences of this kind of attack on a well known symmetric cryptosystem, the Advanced Encryption Standard (AES), and we propose a countermeasure based on the algebraic structure of AES. The main operation of ECC is the scalar multiplication that consists of adding an elliptic curve point to itself a certain number of times. In the second part, we investigate how to secure this operation. We propose a scalar multiplication algorithm that is both efficient and secure against main side-channel attacks. We then study pairings, a mathematical construction based on elliptic curves. Pairings have many interesting properties that allow the creation of new cryptographic protocols. We finally evaluate the side-channel resistance of pairings.

Les circuits cryptographiques peuvent etre victimes d'attaques en fautes visant leur implementation materielle. elles consistent a creer des fautes intentionnelles lors des calculs cryptographiques afin d'en deduire des informations confidentielles. dans le contexte de la caracterisation securitaire des circuits, nous avons ete amenes a nous interroger sur la faisabilite experimentale de certains modeles theoriques d'attaques. nous avons utilise un banc laser comme moyen d'injection de fautes.dans un premier temps, nous avons effectue des attaques en fautes dfa par laser sur un microcontroleur implementant un algorithme de cryptographie aes. nous avons reussi a exclure l'effet logique des fautes ne correspondants pas aux modeles d’attaque par un jeu precis sur l'instant et le lieu d'injection. en outre, nous avons identifie de nouvelles attaques dfa plus elargies.ensuite, nous avons etendu nos recherches a la decouverte et la mise en place de nouveaux modeles d'attaques en fautes. grace a la precision obtenue lors de nos premiers travaux, nous avons developpe ces nouvelles attaques de modification de rondes.en conclusion, les travaux precedents constituent un avertissement sur la faisabilite averee des attaques par laser decrites dans la litterature scientifique. nos essais ont temoigne de la faisabilite toujours actuelle de la mise en place des attaques mono-octets ou mono-bits avec un faisceau de laser qui rencontre plusieurs octets ; et egalement reveler de nouvelles possibilites d’attaque. cela nous a amenes a etudier des contre-mesures adaptees. / Cryptographic circuits may be victims of fault attacks on their hardware implementations. fault attacks consist of creating intentional faults during cryptographic calculations in order to infer secrets. in the context of security characterization of circuits, we have examined practical feasibility of some theoretical models of fault attacks. we used a laser bench as a means of the fault injection.at the beginning, we performed laser fault injections on a microcontroller implementing an aes cryptographic algorithm. we succeeded to exclude the logical effect of mismatched faults by temporal and spatial accuracy in fault injection. moreover, we identified extended new dfa attacks.then, we extended our research to identify and to implement new fault attack models. with the precision obtained in our earlier work, we developed new round modification analysis (rma) attacks.in conclusion, the experiments give a warning for the feasibility of described attacks in the literature by laser. our tests have demonstrated that single-byte or single-bit attacks are still feasible with a laser beam that hits additional bytes on the circuit when the laser emission is accurate and associated with other techniques. they also revealed new attack possibilities. therefore, it conducted us to study of appropriate countermeasures.

Cette thèse s'intéresse aux effets des attaques par fautes physiques sur le code d'un système embarqué en particulier la carte à puce. De telles attaques peuvent compromettre la sécurité du système en donnant accès à des informations confidentielles, en compromettant l'intégrité de données sensibles ou en perturbant le fonctionnement pendant l'exécution. Dans cette thèse, nous décrivons des propriétés de sécurité permettant d'exprimer les garanties du système et établissons un modèle d'attaque de haut niveau définissant les capacités d'un attaquant à modifier le système. Ces propriétés et ce modèle nous servent à vérifier la sécurité du code par analyse statique ou test dynamique, combinés avec l'injection d'attaques, simulant les conséquences logicielles des fautes physiques. Deux méthodologies sont ainsi développées afin de vérifier le comportement fonctionnel du code sous attaques, tester le fonctionnement des sécurités implémentées et identifier de nouvelles attaques. Ces méthodologies ont été mises en oeuvre dans un cadre industriel afin de faciliter le travail du développeur chargé de sécuriser un code de carte à puce.