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.

Le sujet de cette thèse est l'analyse de sécurité des implantations cryptographiques embarquées.La sécurité a toujours été un besoin primaire pour les communications stratégiques et diplomatiques dans l'histoire. Le rôle de la cryptologie a donc été de fournir les réponses aux problèmes de sécurité, et le recours à la cryptanalyse a souvent permis de récupérer le contenu des communications des adversaires.L'arrivée des ordinateurs a causé un profond changement des paradigmes de communication et aujourd'hui le besoin de sécuriser les communications ne s'étend qu’aux échanges commerciaux et économiques.La cryptologie moderne offre donc les solutions pour atteindre ces nouveaux objectifs de sécurité, mais ouvre la voie à des nouvelles attaques : c'est par exemple le cas des attaques par fautes et par canaux auxiliaires, qui représentent aujourd'hui les dangers plus importants pour les implantations embarquées.Cette thèse résume le travail de recherche réalisé ces trois dernières années dans le rôle d'ingénieur en sécurité au sein d'Oberthur Technologies. La plupart des résultats a été publiée sous forme d'articles de recherche [9,13-17] ou de brevets [1-6].Les objectifs de recherche en sécurité pour les entreprises du milieu de la sécurité embarqué sont doubles. L'ingénieur en sécurité doit montrer la capacité d'évaluer correctement la sécurité des algorithmes et de mettre en avant les possibles dangers futurs. Par ailleurs il est désirable de découvrir des nouvelles techniques de défense qui permettent d'obtenir un avantage sur les concurrents. C'est dans ce contexte que ce travail est présenté.Ce manuscrit est divisé en quatre chapitres principaux.Le premier chapitre présente une introduction aux outils mathématiques et formels nécessaires pour comprendre la suite. Des résultats et notions fondamentaux de la théorie de l'information, de la complexité, et des probabilités sont présentés, ainsi qu'une introduction à l'architecture des micro-ordinateurs.Le chapitre suivant présente la notion d'attaque par faute et des stratégies connues pour contrecarrer ce type d'attaques. Le corps du deuxième chapitre est ensuite dédié à notre travail sur le code infectif pour les algorithmes symétriques et asymétriques [15-17] ainsi que à notre travail sur les attaques par faute sur courbes elliptiques [13].Le troisième chapitre est dédié aux attaques par canaux auxiliaires, et présente une introduction aux résultats et à certaines attaques et contremesures classiques du domaine. Ensuite nos deux nouvelles attaques ciblant des contremesures considérées sécurisées sont présentées [9,14]. Dans ce troisième chapitre est enfin présentée notre nouvelle attaque combinée qui permet de casser des implémentations sécurisées à l'état de l'art.A la fin de ce manuscrit, le quatrième chapitre présente les conclusions de notre travail, ainsi que des perspectives pour des nouveaux sujets de recherche.Pendant nos investigations nous avons trouvé différentes contremesures qui permettent de contrecarrer certaines attaques.Ces contremesures ont été publiées sous la forme de brevets [1-6]. Dans certains cas les contremesures sont présentées avec l'attaque qu'elles contrecarrent. / The subject of this thesis is the security analysis of cryptographic implementations. The need for secure communications has always been a primary need for diplomatic and strategic communications. Cryptography has always been used to answer this need and cryptanalysis have often been solicited to reveal the content of adversaries secret communications. The advent of the computer era caused a shift in the communication paradigms and nowadays the need for secure communications extends to most of commercial and economical exchanges. Modern cryptography provides solutions to achieve such new security goals but also open the way to a number of new threats. It is the case of fault and side-channel-attacks, which today represents the most dangerous threats for embedded cryptographic implementations. This thesis resumes the work of research done during the last years as a security engineer at Oberthur Technologies. Most of the results obtained have been published as research papers [9,13-17] or patents [1-6]. The security research goals of companies around the world working in the embedded domain are twofold. The security engineer has to demonstrate the ability to correctly evaluate the security of algorithms and to highlight possible threats that the product may incur during its lifetime. Furthermore it is desirable to discover new techniques that may provide advantages against competitors. It is in this context that we present our work.This manuscript is divided into four main chapters.The first chapter presents an introduction to various mathematical and computational aspects of cryptography and information theory. We also provide an introduction to the main aspects of the architecture of secure micro-controllers.Afterwards the second chapter introduces the notion of fault attacks and presents some known attack and countermeasure [15-17]. We then detail our work on asymmetric and symmetric infective fault countermeasures as long as on elliptic curves fault attacks [13].The third chapter discusses about side-channels, providing a brief introduction to the subject and to well-known side-channel attacks and countermeasures. We then present two new attacks on implementations that have been considered secure against side channels [9,14]. Afterwards we discuss our combined attack which breaks a state-of-the-art secure implementation [10].Finally, the fourth chapter concludes this works and presents some perspectives for further research.During our investigations we have also found many countermeasures that can be used to thwart attacks. These countermeasures have been mainly published in the form of patents [1-6]. Where possible some of them are presented along with the attack they are conceived to thwart.

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

No description available.

No description available.

This thesis presents a novel power side-channel DAC (PS-DAC) which is constructed from user-controllable short circuits in FPGAs and which manipulate overall system power through dynamic power dissipation. Alternately, similar PS-DACs are created using shift-register primitives(SRL16E) which manipulate system power through switching logic, for means of comparison with short-circuit-based PS-DACs. PS-DACs are created of various sizes using both short-circuit-based and shift-register-based methods. These PS-DACs are characterized in terms of output linearity,monotonicity, and frequency distortion. Applications explored in this thesis which use PS-DAC technology include a Simple Power Analysis (SPA) side-channel transmitter, and a frequency watermarking application. These applications serve as proof-of-concept for PS-DAC use in sidechannel communication applications.

Side-channel attacks avoid complex analysis of cryptographic algorithms, instead they use side-channel signals captured from a software or a hardware implementation of the algorithm to recover its secret key. Recently, deep learning models, especially Convolutional Neural Networks (CNN), have been shown successful in assisting side-channel analysis. The attacker first trains a CNN model on a large set of power traces captured from a device with a known key. The trained model is then used to recover the unknown key from a few power traces captured from a victim device. However, previous work had three important limitations: (1) little attention is paid to the effects of training and testing on traces captured from different devices; (2) the effect of different power models on the attack’s efficiency has not been thoroughly evaluated; (3) it is believed that, in order to recover all bytes of a key, the CNN model must be trained as many times as the number of bytes in the key.This thesis aims to address these limitations. First, we show that it is easy to overestimate the attack’s efficiency if the CNN model is trained and tested on the same device. Second, we evaluate the effect of two common power models, identity and Hamming weight, on CNN-based side-channel attack’s efficiency. The results show that the identity power model is more effective under the same training conditions. Finally, we show that it is possible to recover all key bytes using the CNN model trained only once. / Sidokanalattacker undviker komplex analys av kryptografiska algoritmer, utan använder sig av sidokanalssignaler som tagits från en mjukvara eller en hårdvaruimplementering av algoritmen för att återställa sin hemliga nyckel. Nyligen har djupa inlärningsmodeller, särskilt konvolutionella neurala nätverk (CNN), visats framgångsrika för att bistå sidokanalanalys. Anfallaren tränar först en CNN-modell på en stor uppsättning strömspår som tagits från en enhet med en känd nyckel. Den utbildade modellen används sedan för att återställa den okända nyckeln från några kraftspår som fångats från en offeranordning. Tidigare arbete hade dock tre viktiga begränsningar: (1) Liten uppmärksamhet ägnas åt effekterna av träning och testning på spår som fångats från olika enheter; (2) Effekten av olika kraftmodeller på attackerens effektivitet har inte utvärderats noggrant. (3) man tror att CNN-modellen måste utbildas så många gånger som antalet byte i nyckeln för att återställa alla bitgrupper av en nyckel.Denna avhandling syftar till att hantera dessa begränsningar. Först visar vi att det är lätt att överskatta attackens effektivitet om CNN-modellen är utbildad och testad på samma enhet. För det andra utvärderar vi effekten av två gemensamma kraftmodeller, identitet och Hamming-vikt, på CNN-baserad sidokanalangrepps effektivitet. Resultaten visar att identitetsmaktmodellen är effektivare under samma träningsförhållanden. Slutligen visar vi att det är möjligt att återställa alla nyckelbyte med hjälp av CNN-modellen som utbildats en gång.

Nyligen har stora framsteg gjorts i att tillämpa djupinlärning på sidokanalat- tacker. Detta medför ett hot mot säkerheten för implementationer av kryp- tografiska algoritmer. Konceptuellt är tanken att övervaka ett chip medan det kör kryptering för informationsläckage av ett visst slag, t.ex. Energiförbrukning. Man använder då kunskap om den underliggande krypteringsalgoritmen för att träna en modell för att känna igen nyckeln som används för kryptering. Modellen appliceras sedan på mätningar som samlats in från ett chip under attack för att återskapa krypteringsnyckeln. Vi försökte förbättra modeller från ett tidigare arbete som kan finna en byte av en 16-bytes krypteringsnyckel för Advanced Advanced Standard (AES)-128 från över 250 mätningar. Vår modell kan finna en byte av nyckeln från en enda mätning. Vi har även tränat ytterligare modeller som kan finna inte bara en enda nyckelbyte, men hela nyckeln. Vi uppnådde detta genom att ställa in vissa parametrar för bättre modellprecision. Vi samlade vår egen tränings- data genom att fånga en stor mängd strömmätningar från ett Xmega 128D4 mikrokontrollerchip. Vi samlade också mätningar från ett annat chip - som vi inte tränade på - för att fungera som en opartisk referens för testning. När vi uppnådde förbättrad precision märkte vi också ett intressant fenomen: vissa labels var mycket enklare att identifiera än andra. Vi fann också en stor varians i modellprecision och undersökte dess orsak. / Recently, substantial progress has been made in applying deep learning to side channel attacks. This imposes a threat to the security of implementations of cryptographic algorithms. Conceptually, the idea is to monitor a chip while it’s running encryption for information leakage of a certain kind, e.g. power consumption. One then uses knowledge of the underlying encryption algorithm to train a model to recognize the key used for encryption. The model is then applied to traces gathered from a victim chip in order to recover the encryption key.We sought to improve upon models from previous work that can recover one byte of the 16-byte encryption key of Advanced Encryption Standard (AES)-128 from over 250 traces. Our model can recover one byte of the key from a single trace. We also trained additional models that can recover not only a single keybyte, but the entire key. We accomplished this by tuning certain parameters for better model accuracy. We gathered our own training data by capturing a large amount of power traces from an Xmega 128D4 microcontroller chip. We also gathered traces from a second chip - that we did not train on - to serve as an unbiased set for testing. Upon achieving improved accuracy we also noticed an interesting phenomenon: certain labels were much easier to identify than others. We also found large variance in model accuracy and investigated its cause.

Advanced Encryption Standard (AES) is a widely accepted encryption algorithm used in Internet-of-Things (IoT) devices such as Bluetooth devices. Although the implementation of AES is complicated enough, attackers can still acquire the cryptographic information generated from the AES execution to perform Side-Channel Attack (SCA). There are two commonly used types of SCA, which are power based attack and Electromagnetic (EM) based attack. However, the acquisition of both power traces and EM near-field traces require close physical contact to the victim devices, which is difficult to attack a well-protected system. In this thesis, we exploit the far-field EM propagation property and train several Deep Learning (DL) models to attack tinyAES algorithm implemented on the victim Bluetooth chip nRF52832 mounted on Nordic nRF52 DK at the distance up to 50cm. To simulate the real attacking scenario, we train our DL models on one nRF52 DK at 30cm and attack another same board at the distance 5cm, 15cm, 30cm and 50cm respectively in an office environment. We restrict the number of attacking traces to 7000. The key byte of all of cases can be recovered successfully by Convolution Neuron Network (CNN) and the best test only need 1848 traces. Our contributions are: (1).We prove it is feasible to attack Bluetooth chip running AES at variation distance by DL; (2).We compare our DL model performance with the classical correlation analysis and find correlation analysis takes far more traces than DL; (3).We propose several countermeasures to protect against the far-field EM SCA. / Advanced Encryption Standard (AES) är en allmänt accepterad krypteringsalgoritm som används i Internet-of-Things (IoT) -enheter som Bluetooth-enheter. Även om implementeringen av AES är tillräckligt komplicerad kan angriparna fortfarande förvärva den kryptografiska informationen som genererats från AES-utförandet för att utföra Side-Channel Attack (SCA). Det finns två vanligt förekommande typer av SCA, som är kraftbaserad attack och elektro-magnetisk (EM) baserad attack. Emellertid kräver förvärv av både strömspår och EM-fältspår nära fysisk kontakt med offeranordningarna, vilket är omöjligt att attackera ett välskyddat system. I den här avhandlingen utnyttjar vi EM-förökningsegenskapen för fjärrfältet och utbildar flera Deep Learning (DL) -modeller för att attackera litenAES- algoritm implementerad på offret Bluetooth-chip nRF52832 monterat på Nordic nRF52 DK på avståndet upp till 50 cm. För att simulera det verkliga angreppsscenariot utbildar vi våra DL-modeller på en nRF52 DK vid 30 cm och attackerar en annan samma skiva på avståndet 5 cm, 15 cm, 30 cm respektive 50 cm i en kontorsmiljö. Vi begränsar antalet attackerande spår till 7000. Nyckelbyte i alla fall kan framgångsrikt återvinnas av Convolution Neuron Network (CNN) och det bästa testet behöver endast 1848 spår. Våra bidrag är: (1). Vi bevisar att det är möjligt att attackera Bluetooth-chip som kör AES på variation avstånd av DL; (2). Vi jämför våra DL-modellprestanda med den klassiska korrelationsanalysen och finner korrelationsanalys tar mycket fler spår än DL;(3). Vi tillhandahåller flera motåtgärder mot EM-SCA.

Side-channel attacks pose significant challenges to the security of embedded systems, often allowing attackers to circumvent encryption algorithms in minutes compared to the trillions of years required for brute-force attacks. To mitigate these vulnerabilities, various countermeasures have been developed. This study focuses on two specific countermeasures: randomization of the encryption algorithm’s clock and the incorporation of a dummy core to disguise power traces. The objective of this research is to identify the optimal frequencies that yield the highest level of randomness when these two countermeasures are combined. By investigating the interplay between clock randomization and the presence of dummy cores, we aim to enhance the overall security of embedded systems. The insights gained from this study will contribute to the development of more robust countermeasures against side-channel attacks, bolstering the protection of sensitive information and systems. To achieve this, we conduct simulations and perform side-channel attacks on an FPGA to establish the relationship between frequencies and the resulting protection. We break the encryption on a non-duplicated circuit and note the least amount of measured power traces necessary and the timing overhead. We do this for all sets of frequencies considered which gives a good indication of which sets of frequencies give good protection. By comparing the frequencies generated with those from the duplicated circuit we use similar conclusions to prove whether a frequency set is secure or not. Based on our results we argue that having one frequency lower than half of the base frequency and the other frequencies being close but not higher than the base gives the highest security compared to the timing overhead measured. / Sido-kanal attacker utgör betydande utmaningar för säkerheten hos integrerade system och möjliggör ofta för angripare att kringgå krypteringsalgoritmer på minuter jämfört med de miljarder år som krävs för brute-force attacker. För att minska dessa sårbarheter har olika motåtgärder utvecklats. Denna studie fokuserar på två specifika motåtgärder: slumpmässig anpassning av krypteringsalgoritmens klocka och användningen av en dummykärna för att maskera strömsignaler. Syftet med denna forskning är att identifiera optimala frekvenser som ger högsta grad av slumpmässighet när dessa två motåtgärder kombineras. Genom att undersöka samverkan mellan slumpmässig anpassning av klockan och närvaron av dummykärnor strävar vi efter att förbättra den övergripande säkerheten hos integrerade system. De insikter som erhålls från denna studie kommer att bidra till utvecklingen av mer robusta motåtgärder mot sido-kanals attacker och stärka skyddet av känsliga system och information. För att uppnå detta genomför vi simuleringar och utför sido-kanals attacker på en FPGA för att etablera sambandet mellan frekvenser och det resulterande skyddet. Vi knäcker krypteringen på en icke-duplicerad krets och noterar den minsta mängden mätta strömsignaler som krävs samt tids fördröjning. Vi gör detta för alla uppsättningar av frekvenser som övervägs, vilket ger en god indikation på vilka frekvensuppsättningar som ger ett bra skydd. Genom att jämföra de genererade frekvenserna med dem från den duplicerade kretsen drar vi slutsatser för att bevisa om en frekvensuppsättning är säker eller inte. Baserat på våra resultat argumenterar vi för att ha en frekvens som är lägre än hälften av basfrekvensen och att de andra frekvenserna är nära men inte högre ger högsta säkerhet jämfört med den uppmätta tids fördröjningen.