Les circuits à haut technologie d'aujourd'hui requièrent toujours plus de services et de sécurité. Le marché correspondant est orienté vers de la reconfigurabilité. Dans cette thèse je propose une nouvelle solution de coprocesseur cryptographique multi-algorithmes, appelé Celator. Celator est capable de crypter et décrypter des blocs de données en utilisant des algorithmes cryptographiques à clé symétrique tel que l'Advanced Encryption Standard (AES) ou le Data Encryption Standard (DES). De plus, Celator permet de hacher des données en utilisant le Secure Hash Algorithm (SHA). Ces algorithmes sont implémentés de façon matérielle ou logicielle dans les produits sécurisés. Celator appartient à la classe des implémentations matérielles flexibles, et permet à son utilisateur, sous certaines conditions, d'exécuter des algorithmes cryptographiques standards ou propriétaires.<br /><br />L'architecture de Celator est basée sur un réseau systolique de 4x4 Processing Elements, nommé réseau de PE, commandé par un Contrôleur réalisé avec une Machine d'États Finis (FSM) et une mémoire locale.<br /><br />Cette thèse présente l'architecture de Celator, ainsi que les opérations de base nécessaires pour qu'il exécute AES, DES et SHA. Les performances de Celator sont également présentées, et comparées à celles d'autres circuits sécurisés.

La dernière génération de cartes à puce permet le téléchargement d'applications après leur mise en circulation. Outre les problèmes que cela implique, cette capacité d'extension applicative reste encore aujourd'hui bridée par un espace de stockage adressable restreint. La thèse défendue dans ce mémoire est qu'il est possible d'exécuter efficacement des applications stockées dans la mémoire non-adressable des cartes à puce, disponible en plus grande quantité, et ce, malgré ses temps de latences très longs, donc peu favorables a priori à l'exécution de code. Notre travail consiste d'abord à étudier les forces et faiblesse de la principale réponse proposée par l'état de l'art qu'est un cache. Cependant, dans notre contexte, il ne peut être implémenté qu'en logiciel, avec alors une latence supplémentaire. De plus, ce cache doit respecter les contraintes mémoires des cartes à puce et doit donc avoir une empreinte mémoire faible. Nous montrons comment et pourquoi ces deux contraintes réduisent fortement les performances d'un cache, qui devient alors une réponse insuffisante pour la résolution de notre challenge. Nous appliquons notre démonstration aux caches de code natif, puis de code et méta-données Java et JavaCard2. Forts de ces constats, nous proposons puis validons une solution reposant sur une pré-interprétation de code, dont le but est à la fois de détecter précocement les données manquantes en cache pour les charger à l'avance et en parallèle, mais aussi grouper des accès au cache et réduire ainsi l'impact de son temps de latence logiciel, démontré comme son principal coût. Le tout produit alors une solution efficace, passant l'échelle des cartes à puce.

Dans notre monde toujours plus connecté, les cartes à puce sont impliquées quotidiennementdans nos activités, que ce soit pour le paiement, le transport, le contrôle d’accès ou encore la santé.Ces cartes contiennent des informations personnelles liées aux faits et gestes de leur possesseur.Le besoin d’interpréter les données contenues dans les mémoires de ces cartes n’a jamais été aussiimportant. Cependant, sans les spécifications de l’application, il est difficile de connaître quellesinformations sont stockées dans la carte, leur emplacement précis, ou encore l’encodage utilisé.L’objectif de cette thèse est de proposer une méthode qui retrouve les informations stockéesdans les mémoires non volatile des cartes à puce. Ces informations peuvent être des dates (e.g.,date de naissance, date d’un événement) ou des informations textuelles (e.g., nom, adresse). Pourretrouver ces informations, un décodage exhaustif des données à l’aide de différentes fonctions dedécodage est possible. Malheureusement, cette technique génère de nombreux faux positifs. Unfaux positif apparaı̂t lorsqu’une fonction de décodage est appliquée sur des données qui ont étéencodées avec une fonction différente. Cette thèse s’appuie alors sur trois contributions exploitantles spécificités des cartes à puce pour éliminer ces faux positifs. La première contribution identifie lesobjets cryptographiques dans les mémoires non volatiles des cartes à puce afin de ne pas effectuer ledécodage sur ces données. Les deux autres contributions retrouvent respectivement des informationstextuelles et des dates dans ces mémoires. Afin de valider ces méthodes, elles sont chacune appliquéessur 371 mémoires de cartes à puce de la vie réelle. / In our increasingly connected world, smart cards are involved in any everyday activity, and theygather and record plenty of personal data. The need to interpret the raw data of smart card memoryhas never been stronger. However, without the knowledge of the specifications, it is difficult toretrieve what are the information stored, their location, and the encoding used to store them.The objective of this thesis is to propose a method retrieving the stored information in thenon-volatile memory of smart cards. This information include dates (e.g., birth date or event date)and textual information (e.g., name, address). In order to retrieve these information, it is possibleto perform an exhaustive decoding of the data with several decoding functions. Unfortunately,this technique generates a lot of false positives. Indeed, a false positive occurs when a decodingfunction is applied to data that have been encoded with another function. This thesis proposesthree contributions exploiting smart cards specificities to eliminate the false positives. The firstcontribution identifies cryptographic material in these non-volatile memories in order to preventthe false positives generated by the decoding of these cryptographic objects. The two otherscontributions retrieve respectively textual information and dates in these memories. In order tovalidate these methods, they are applied on 371 memory dumps of real-life smart cards.

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.

Les cartes à puce jouent un rôle crucial dans de nombreuses applications que nous utilisons quotidiennement : paiement par carte bancaire, téléphonie mobile, titres de transport électroniques, etc. C'est dans ce contexte que la technologie Java Card s'est imposée depuis son introduction en 1996, réduisant les coûts de développement et de déploiement d'applications pour cartes à puce et permettant la cohabitation de plusieurs applications au sein d'une même carte. La communauté scientifique a rapidement démontré que la possibilité donnée à un attaquant d'installer des applications sur les cartes représente une menace. Mais dans le même temps, la sécurité des systèmes embarqués a également été un sujet d'étude très productif, révélant que des algorithmes cryptographiques considérés comme sûrs pouvaient être facilement cassés si leurs implémentations ne prenaient pas en compte certaines propriétés physiques des composants électroniques qui les accueillent. En particulier, une partie des attaques publiées repose sur la capacité de l'attaquant à perturber physiquement le composant pendant qu'un calcul est exécuté. Ces attaques par injections de fautes n'ont que très peu été étudiées dans le contexte de la technologie Java Card. Cette thèse étudie et analyse la sécurité des Java Cards contre des attaques combinant injections de fautes et installations d'applications malicieuses. Tout d'abord, nous présentons différents chemins d'attaques combinées et exposons dans quelle mesure ces attaques permettent de casser différents mécanismes sécuritaires de la plateforme. En particulier, notre analyse sécuritaire permet de démontrer que la propriété de sûreté du typage, l'intégrité du flot de contrôle, ainsi que le mécanisme d'isolation des applications peuvent être contournés et exploités par des combinaisons adéquates. Puis, nous présentons différentes approches permettant d'améliorer la résistance de la plateforme Java Card ainsi que des applications qu'elle accueille contre des attaques combinées. Ainsi, nous définissons plusieurs contremesures rendant les attaques exposées ainsi que certaines attaques de l'état de l'art inopérantes, et ce en gardant à l'esprit les fortes contraintes inhérentes au monde des cartes à puce.

Aujourd'hui, l'Internet change radicalement nos habitudes, avec l'arrivée massive du nomadisme, l'internet des objets, l'utilisation croissante de l'informatique en grille, les services Web, les réseaux sociaux et l'émergence de nouvelles approches dans ces dernières années. La virtualisation des infrastructures informatiques et le Cloud Computing ont particulièrement, permis de définir des nouveaux paradigmes, appelés X as a Service (XaaS), introduisant ainsi une rupture assez franche avec les modèles traditionnels, qui sont perçus comme une étape préparatoire vers l'Internet du Futur. En effet, la mise en œuvre de ces paradigmes, permet de mutualiser et de réorganiser le système informatique de manière différente, de dématérialiser les infrastructures physiques, de déporter les systèmes ou les applications sur des conteneurs virtuels distants. Par conséquent, l'architecture globale de l'Internet doit évoluer, en s'appuyant fortement sur ces nouvelles approches, en particulier, le Cloud Computing et la virtualisation. Malheureusement, comme toute technologie nouvelle, elle crée de nouveaux risques, qui viennent se greffer aux problèmes traditionnels : la séparation des privilèges, la gestion des accès, la gestion de l'identité, les failles des logiciels de virtualisation, l'isolation des machines virtuelles (VM), la protection des données personnelles, la vie privée, la réversibilité pendant l'externalisation (Outsourcing), etc. Les services basés sur les Clouds requièrent des fonctions de collaboration inter-fonctionnelles sécurisées ainsi que des systèmes de protection contre l'utilisation abusive des ressources. Ces systèmes doivent être équilibrés de façon raisonnable avec les besoins de confidentialité, d’intégrité, de protection de la vie privée des utilisateurs. Ils doivent permettre l’authentification des utilisateurs sans révéler des informations sur leur identité. Ainsi, une offre de services personnalisés aux clients dans un environnement virtuel et/ou transorganisationnel, en utilisant des mécanismes de sécurité adaptés à des infrastructures traditionnelles, peut prendre une dimension très complexe dans le modèle Cloud Computing, et peut constituer des défis à soulever pour les fournisseurs de ces services. Parmi ces défis à résoudre, la gestion d’identités des ressources, qui constitue un élément crucial pour authentifier les services à consommer, minimiser le risque d’accès frauduleux à des données personnelles, qui peut conduire à des conséquences désastreuses pour une entreprise ou un client. Les solutions existantes sont insuffisantes pour répondre aux défis soulevés par ces nouvelles approches. La mise en œuvre de ces modèles et ces outils posent des défis sécuritaires à la fois d’ordre organisationnel, architectural et protocolaire, pour garantir à chaque client des niveaux de sécurité. Ces niveaux doivent être identifiés pour guider les choix architecturaux et techniques à prendre, pour répondre en particulier aux exigences (LoA : Level of Assurance) et (LoT : Level of Trust), qu’un fournisseur de Cloud doit mettre en place pour garantir et protéger ses ressources. En effet, ces verrous et ces défis sécuritaires vont être relevés dans ce travail de recherche qui se situe dans le cadre du projet sécurité pour les réseaux du futur (SecFuNet : Security for Future Networks). C’est un projet collaboratif entre l’Europe et le Brésil, qui implique neuf partenaires européens répartis sur (la France, la Pologne, l'Allemagne et le Portugal) et 7 partenaires académiques brésiliens. Ce projet a pour ambition de proposer une nouvelle infrastructure de sécurité générale pour la communication des informations des utilisateurs sur Internet. L’objectif principal est de concevoir et développer une nouvelle architecture de sécurité cohérente pour les réseaux virtuels. / Today, the Internet is changing radically our habits, especially with the massive influx of the nomadic techniques, the Internet of objects, the growing use of grid computing, wireless networks and the emergence of new approaches in recent years. In particular, the virtualization of the computing infrastructures, which allowed defining a new model called Cloud Computing, introducing an enough frank breakdown with the traditional models, can be perceived as a preparatory stage towards the Internet of future.The implementation of these approaches allows, in a different way : mutualization and organization of the computer system. It allows to dematerialize the physical infrastructures and to deport applications on distant containers. Therefore, the global architecture of Internet should be evolved. It will rely strongly on these new approaches and in particular, Cloud Computing and virtualization. However, no system is infallible especially if resources are distributed and mutualized. They raise a number of problems and involve directly security issues, which remain one of the main barriers to the adoption of these technologies.Like any new technology, Cloud Computing and virtualization create new risks, which come to graft to traditional threats of the outsourcing management of the privilege separation, the identity and accesses management, the robustness of the virtualization software, the virtual machine isolation, the personal data protection, reversibility, privacy... The traditional Internet architecture cannot provide the adequate solutions to the challenges raised by these new approaches: mobility, flexibility, security requirements, reliability and robustness. Thus, a research project (SecFuNet : Security For Future Networks) was validated by the European Commission, to provide some answers, to make a state of the art of these security mechanisms and a comprehensive study of orchestration and integration techniques based on protection components within overall security architecture.

Le marché des objets connectés sécurisés est en plein essor et nécessite des plateformes de développement faible consommation pour des applications sans contact dans des facteurs de forme réduits. La réduction du facteur de forme impacte l’antenne et entraîne une baisse de l’énergie disponible dans la puce, qui, pour travailler à performances égales, doit voir sa consommation diminuer drastiquement. Un des principaux contributeurs à la consommation est la mémoire non-volatile embarquée (eNVM) utilisée pour le stockage et l’exécution du code. Il faut donc, pour une technologie donnée, être capable de concevoir des blocs périphériques du plan mémoire de manière à réduire la consommation au maximum. L’objectif de la thèse est donc de sélectionner une technologie eNVM très faible consommation compatible avec le procédé technologie CMOS classique, d’identifier les blocs critiques lors des opérations de la mémoire, et enfin de proposer des solutions de minimisation de la consommation pour chaque bloc critique. Pour ce faire, une étude de toutes les mémoires non volatiles embarquées disponibles sur le marché est réalisée. Il en ressort que la technologie Flash, en particulier la Flash NOR embarquée de type SuperFlash® ESF3, est la mieux adaptée pour les systèmes télé-alimentés. L’étude de la macro Flash NOR montre que durant l’écriture et l’effacement, la consommation du système est en partie liée à la génération de la haute tension par les pompes de charge. Par contre, durant la lecture, les performances globales du système sont déterminées par l’amplificateur de lecture. Ainsi, un travail de conception de chaque bloc individuel est mis en oeuvre pour réduire la consommation. / The market of secure connected devices is booming and requires low power development platforms for contactless applications in reduced form factors. The reduction in the form factor impacts the antenna size and thus leads to a decrease of the energy available in the chip, which should reduce drastically its consumption while keeping performances. One of the main contributors to the chip consumption is the embedded non-volatile memory (eNVM) used for storage and code execution. Therefore, for a given technology, it is necessary to design peripheral blocks of the memory array under strong consumption constraints. The aim of the thesis is to select a very low-power embedded nonvolatile memory technology compatible with the classical CMOS process, to identify the critical blocks during the operations of the memory, and finally to propose solutions to minimize the power consumption of each critical block.In order to do this, a study of all the embedded non-volatile memories available on the market is carried out. It emerges that the Flash technology, in particular the SuperFlash® ESF3 based NOR Flash technology, is best suited for remote-powered systems. The study of the NOR Flash macrocell shows that during write and erase operations, the system consumption is mainly related to the high voltage generation by charge pumps. However, during a read operation, overall performances of the system is determined by the sense amplifier. A design work for each individual block is then implemented to reduce consumption.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur les réseaux MANets sans centralisation ni administration dans lesquels les utilisateurs sont mobiles et non nécessairement liés entre eux par une organisation humaine. Notre contribution consiste en une architecture totalement décentralisée permettant de sécuriser les échanges au sein de tels réseaux. Sa concrétisation, l'application SManet, repose sur un module administrateur embarqué sur carte à puce chargé de tâches habituellement réalisées par une entité centralisée. Chaque dispositif utilisateur possède une carte équipée de ce module qui procède à toutes les opérations de contrôle assurant le bon comportement de son hôte et la sécurité des communications avec les autres possesseurs d'une carte. Cette solution permet de mettre en place des échanges sûrs, n'importe où, n'importe quand, sans aucune planification et donc sans aucune oraganisation humaine préalable sous-jacente.

Dans le domaine des transactions et du paiement électronique avec une carte à puce, le standard de communication en champ proche « Near Field Communication » (NFC) s’est imposé comme la technologie des transactions sans contact mobiles sécurisées pour le paiement, le contrôle d’accès, ou l’authentification. Les services sans contact mobiles sécurisés sont basés sur le mode émulation de carte du standard NFC qui implique une composante matérielle à accès restreint de type carte à puce appelée « Secure Element » (SE) dans laquelle sont stockées les données confidentielles et les fonctions sensibles. Malgré les efforts de standardisation de l'écosystème, les modèles proposés pour la mise en œuvre du SE sont complexes et souffrent du manque de généricité, à la fois pour offrir des mécanismes d’abstraction, pour le développement d’applications de haut niveau, et pour la mise en œuvre et la vérification des contraintes de sécurité des applications.L’objectif de la thèse est de concevoir et réaliser un environnement logiciel basé sur un modèle générique compatible avec les standards établis et peu sensible aux évolutions technologiques. Cet environnement devrait permettre à des non-experts de développer des applications multiplateformes, multimodes, multi-facteurs de forme, qui s’interfacent avec le SE dans un smartphone NFC. / In the field of electronic transactions and payment with a smart card, the Near Field Communication (NFC) standard has stood out against other candidate technologies for secure mobile contactless transactions for payment, access control, or authentication. Secure mobile contactless services are based on the card emulation mode of the NFC standard which involves a smart card type component with restricted access called "Secure Element" (SE) in which sensitive data and sensitive functions are securely stored and run. Despite considerable standardization efforts around the SE ecosystem, the proposed models for the implementation of SE are complex and suffer from the lack of genericity, both to offer abstraction mechanisms, for the development of high-level applications, and for the implementation and verification of applications security constraints.The objective of the thesis is to design and realize a software environment based on a generic model that complies with established standards and which is not very sensitive to technological evolutions. This environment should enable non-experts to develop multi-platform, multi-mode, multi-factor SE-based applications running into the NFC smartphone.