Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Garantir la sécurité d’une application tout au long de son cycle de vie est une tâche fastidieuse. Le choix, l’implémentation et l’évaluation des solutions de sécurité est difficile et sujette a des erreurs. Les compétences en sécurité ne sont pas répondues dans toutes les équipes de développement. Afin de réduire ce manque de compétences en sécurité, les développeurs ont a leurs disposition une multitude de documents décrivant des problèmes de sécurité et des solutions requises (i.e., vulnérabilités, attaques, principes de sécurité, patrons sécurité, etc.). Abstraites et informelles, ces documents sont fournis par des sources différentes et leur nombre est en constante croissance. Les développeurs sont noyés dans une multitude de documents ce qui fait obstruction à leur capacité à choisir, implémenter et évaluer la sécurité d’une application. Cette thèse aborde ces questions et propose un ensemble de méthodes pour aider les développeurs à choisir, implémenter et évaluer les solutions de sécurité face aux problèmes de sécurité. Ces problèmes sont matérialisés par les failles, les vulnérabilités, les attaques, etc. et les solutions fournies par des patrons de sécurité. Cette thèse introduit en premier une méthode pour aider les développeurs dans l’implémentation de patrons de sécurité et l’estimation de leur efficacité face aux vulnérabilités. Puis elle présente trois méthodes associant les patrons de sécurité, les vulnérabilités, les attaques, etc. au sein d’une base de connaissance. Cette dernière permet une extraction automatique de classifications de patrons et améliore la rapidité et la précision des développeurs dans le choix des patrons de sécurité face à une vulnérabilité ou une attaque. En utilisant la base de connaissance, nous présentons une méthode pour aider les développeurs dans la modélisation des menaces ainsi que la générations et l’exécution des cas de test de sécurité. La méthode est évaluée et les résultats montrent que la méthode améliore l’efficacité, la compréhensibilité et la précision des développeurs dans le choix des patrons de sécurité et d’écriture des cas de test de sécurité. / Ensuring the security of an application through its life cycle is a tedious task. The choice, the implementation and the evaluation of security solutions is difficult and error prone. Security skills are not common in development teams. To overcome the lack of security skills, developers and designers are provided with a plethora of documents about security problems and solutions (i.e, vulnerabilities, attacks, security principles, security patterns, etc.). Abstract and informal, these documents are provided by different sources, and their number is constantly growing. Developers are drown in a sea of documentation, which inhibits their capacity to design, implement, and the evaluate the overall application security. This thesis tackles these issues and presents a set of approaches to help designers in the choice, the implementation and the evaluation of security solutions required to overcome security problems. The problems are materialized by weaknesses, vulnerabilities, attacks, etc. and security solutions are given by security patterns.This thesis first introduces a method to guide designers implement security patterns and assess their effectiveness against vulnerabilities. Then, we present three methods associating security patterns, attacks, weaknesses, etc. in a knowledge base. This allows automated extraction of classifications and help designers quickly and accurately select security patterns required to cure a weakness or to overcome an attack. Based on this nowledge base, we detaila method to help designers in threat modeling and security test generation and execution. The method is evaluated and results show that the method enhances the comprehensibility and the accuracy of developers in the security solutions choice, threat modeling and in the writing of security test cases.

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.

Notre thèse stipule qu'au vu de l'ampleur des agissements malveillants dans l'Internet, les logiciels d'extrémité doivent être surveillés. Pour limiter le nombre de points de surveillance, nous proposons de surveiller les logiciels depuis un point d'interconnexion. Nous avons dans ce but conçu Luth, un outil permettant de composer et de paralléliser un ensemble d'inspecteurs de points d'interconnexion (appelés MI) qui implémentent des mini IDS, IPS ou pare-feux, tout en vérifiant la correction et l'optimalité de ces derniers, à l'aide d'un langage de configuration et des algorithmes associés. Nous utilisons ensuite cet outil pour surveiller des logiciels d'extrémité permettant l'observation de trafic malveillant. Premièrement, après avoir démontré la nécessité de surveiller des pots de miels collecteurs de logiciels malveillants en concevant une attaque originale, nous montrons comment nous configurons Luth pour bloquer les attaques précédemment créées tout en laissant passer les attaques émulées par le pot de miel. Dans un second temps, nous utilisons Luth pour implémenter un bac-à-sable permettant d'analyser dynamiquement et aussi sûrement que voulu, les communications réseaux des logiciels malveillants. Nous montrons comment les informations obtenues par cette analyse permettent de regrouper ces logiciels et ainsi de limiter le nombre de binaires à analyser manuellement. Ensuite nous montrons comment nous générons automatiquement des signatures permettant la détection de ces virus depuis un point d'interconnexion / Our Ph.D states that given the magnitude of malicious behavior in the Internet, end-host software must be monitored. To limit the number of monitoring points, we propose to monitor the software from an interconnection point, i.e. a midpoint. We have designed for this purpose Luth, a tool to compose and parallelize a set of midpoint inspectors (MI) that implement mini IDS, IPS or firewall-s, while checking the correction and optimality of the resulting inspection tree, using a configuration language, its interpreter and associated algorithms. We then configure this tool to monitor some end-host software used to observe malicious traffic. First, we demonstrate why malware downloading honeypots must be monitored by designing an original attack. Then, we show how we configure Luth to block these attacks while accepting the intrusions emulated by the honeypot. In a second step, we use Luth to implement a sandbox that analyzes dynamically and as safely as wanted malware's network communications. We show how the information obtained by this analysis enables us to cluster the analyzed malware and therefore limit the number of malware to analyze manually. Finally, we show how we automatically generate signatures from this analysis to detect those malware from a midpoint device

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.

Le cloud computing, solution souple et peu couteuse, est aujourd'hui largement adopté pour la production à grande échelle de services IT. Toutefois, des utilisateurs malveillants tirent parti de ces caractéristiques pour bénéficier d'une plate-forme d'attaque prête à l'emploi dotée d'une puissance colossale. Parmi les plus grands bénéficiaires de cette conversion en vecteur d’attaque, les botclouds sont utilisés pour perpétrer des attaques de déni de service distribuées (DDoS) envers tout tiers connecté à Internet.Si les attaques de ce type, perpétrées par des botnets ont été largement étudiées par le passé, leur mode opératoire et leur contexte de mise en œuvre sont ici différents et nécessitent de nouvelles solutions. Pour ce faire, nous proposons dans le travail de thèse exposé dans ce manuscrit, une approche distribuée pour la détection à la source d'attaques DDoS perpétrées par des machines virtuelles hébergées dans un cloud public. Nous présentons tout d'abord une étude expérimentale qui a consisté à mettre en œuvre deux botclouds dans un environnement de déploiement quasi-réel hébergeant une charge légitime. L’analyse des données collectées permet de déduire des invariants comportementaux qui forment le socle d'un système de détection à base de signature, fondé sur une analyse en composantes principales. Enfin, pour satisfaire au support du facteur d'échelle, nous proposons une solution de distribution de notre détecteur sur la base d'un réseau de recouvrement pair à pair structuré qui forme une architecture hiérarchique d'agrégation décentralisée / Currently, cloud computing is a flexible and cost-effective solution widely adopted for the large-scale production of IT services. However, beyond a main legitimate usage, malicious users take advantage of these features in order to get a ready-to-use attack platform, offering a massive power. Among the greatest beneficiaries of this cloud conversion into an attack support, botclouds are used to perpetrate Distributed Denial of Service (DDoS) attacks toward any third party connected to the Internet.Although such attacks, when perpetrated by botnets, have been extensively studied in the past, their operations and their implementation context are different herein and thus require new solutions. In order to achieve such a goal, we propose in the thesis work presented in this manuscript, a distributed approach for a source-based detection of DDoS attacks perpetrated by virtual machines hosted in a public cloud. Firstly, we present an experimental study that consists in the implementation of two botclouds in a real deployment environment hosting a legitimate workload. The analysis of the collected data allows the deduction of behavioural invariants that form the basis of a signature based detection system. Then, we present in the following a detection system based on the identification of principal components of the deployed botclouds. Finally, in order to deal with the scalability issues, we propose a distributed solution of our detection system, which relies on a mesh peer-to- peer architecture resulting from the overlap of several overlay trees

La MRAM est une technologie de mémoire non-volatile émergente, elle a la particularité de stocker les données sous forme d’orientations de moments magnétiques. Ses performances sont intéressantes et surpassent les technologies actuelles sur plusieurs aspects. Crocus Technology développe une nouvelle génération de MRAM, les TAS-MRAM (pour ThermallyAssistedSwitching MRAM). Ces MRAM ont la particularité d’effectuer les opérations d’écritures à hautes températures, améliorant ainsi la consommation électrique et facilitant sa réduction d’échelle. Les TAS-MRAM sont développées pour des applications sécuritaires ou critiques, cependant la technologie MRAM utilise des principes physiques liés aux interactions magnétiques qui sont relativement peu étudiés en termes de sécurité du composant.L’objet du travail de cette thèse est d’évaluer les potentielles faiblesses de sécurité pour cette technologie. En particulier la capacité des MRAM à garantir l’intégrité et la confidentialité des informations qui sont stockées a été étudiée. Ce travail est divisé en deux parties, une première partie est consacrée à l’analyse de la résistance des MRAM aux attaques physiques avec un focus tout particulier sur l’étude des effets des champs magnétiques sur l’écriture, la lecture et la rétention des données ainsi que les différentes solutions envisagées pour réduire ces effets. Une étude des effets de la température a également été réalisée. L’autre partie du travail porte sur l’étude des émissions électromagnétiques et l’analyse de plusieurs méthodes pour retrouver le poids de Hamming des données manipulées par la mémoire et de ce fait en extraire de potentiels secrets ou données sensibles. / MRAM (magnetoresistive RAM) is an emergent non-volatile memory technology; it has the particularity to store data in magnetic moments orientations. It has very interesting characteristics that overwhelm mature technologies on several points. Crocus Technology is developing a new MRAM technology called TAS-MRAM (for Thermally Assisted Switching). During write operations, this new MRAM technology uses a current to heat the memory cell. This reduces the power consumption and makes scalability easier. TAS-MRAM are developed for secure or critical applications but this technology relies on spintronic, a field of physics not much studied for electronics security.This work aims to evaluate potential security weaknesses of this technology. More specifically the memory capacity to guarantee data confidentiality was studied. This work was divided in two parts; one part is dedicated to the analysis of MRAM resistance against physical perturbations, with a special focus on magnetic fields (both static and pulsed) effects on read and write operations as well as their effects on data retention. Various methods to reduce these effects were tested and compared. The effect of high temperature was also studied.The second part focuses on the analysis of electromagnetic emissions of the MRAM components during its operations. Methods to retrieve the Hamming weight of data written in the memory are exposed and compared.

Aujourd'hui, nous utilisons de plus en plus d'appareils "connectés" (téléphone portable, badge d'accès ou de transport, carte bancaire NFC, ...), et cette tendance ne va pas s'inverser. Ces appareils requièrent l'utilisation de primitives cryptographiques, embarquées dans des composants électroniques, dans le but de protéger les communications. Cependant, des techniques d'attaques permettent d'extraire de l'information du composant électronique ou fauter délibérément son fonctionnement. Un nouveau médium d'attaque, exploitant les ondes électromagnétiques est en pleine expansion. Ce médium, par rapport à des techniques de fautes à base de perturbations par faisceau LASER, propose l'avantage d’être à relativement faible coût. Nous présentons dans cette thèse la résistance d'un type de bloc cryptographique, à savoir les générateurs de nombres réellement aléatoires, aux ondes électromagnétiques. Nous montrons qu'il est possible d'extraire de l'information sensible du champ électromagnétique produit par le composant électronique, et qu'il est également possible de perturber un générateur en le soumettant à un fort champ électromagnétique harmonique / Nowadays, our society is using more and more connected devices (cellphones, transport or access card NFC debit card, etc.), and this trend is not going to reverse. These devices require the use of cryptographic primitives, embedded in electronic circuits, in order to protect communications. However, some attacks can allow an attacker to extract information from the electronic circuit or to modify its behavior. A new channel of attack, using electromagnetic waves is skyrocketing. This channel, compared to attacks based on LASER beam, is relatively inexpensive. We will, in this thesis, present a new attack, using electromagnetic waves, of a certain type of cryptographic primitive: the true random number generator. We will show that it is possible to extract sensitive information from the electromagnetic radiation coming from the electronic device. We will also show that it is possible to completly modify the behavior of the true random number generator using a strong electromagnetic field

Les circuits cryptographiques, parce qu'ils contiennent des informations confidentielles, font l'objet de manipulations frauduleuses, appelées communément attaques, de la part de personnes mal intentionnées. Plusieurs attaques ont été répertoriées et analysées. Parmi elles, les attaques DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behavior Analysis) et les attaques en probing forment la classe des attaques par corrélation et sont considérés comme les plus redoutables car elles permettent de retrouver, à moindre coût, les clefs de chiffrement des algorithmes cryptographiques. Les concepteurs de circuits sécurisés ont été donc amené à ajouter des parades, appelées contre-mesures, afin de protéger les circuits de ces attaques. Ces contremesures doivent impacter au minimum les performances et le coût du circuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux attaques par corrélation, le principe de ces attaques est décrit ainsi que les principales contre-mesures pour y parer. Un formalisme décrivant de manière unique ces attaques est aussi proposé. Dans un deuxième temps, nous étudions les outils d'évaluation sécuritaires qui permettent d'estimer la résistance des circuits intégrés face aux attaques par corrélation. Après un état de l'art sur les outils existants, nous décrivons notre outil basé sur une recherche de corrélations entre le modèle du concepteur et le modèle qui peut être prédit par un attaquant. L'analyse de corrélations permet de déterminer les bits les plus sensibles pour mener à bien une attaque. Cet outil est intégré dans le flot de conception permettant ainsi d'évaluer la résistance des algorithmes cryptographiques au niveau RTL (Register Transfer Level) et portes. / The cryptographic circuits, because they contain confidential information, are subject to fraudulent manipulations called attacks from malicious people. Several attacks have been identified and analyzed. Among them DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behaviour Analysis) and probing attacks form the class of correlation attacks and are considered as the most dangerous because they allow to retrieve, at lower cost, secret keys of cryptographic algorithms. Designers of secure circuits have thus added counter-measures to protect their circuits from these attacks. Counter-measures overhead got to have a minimum of impact on circuit’s cost and performances. In this thesis, we first focus on correlation attacks; the principle of these attacks is described as well as the main counter-measures to address them. A formalism describing these attacks is also proposed. Second, we study the safe evaluation tools to estimate the resistance of integrated circuits towards correlation attacks. After a state of the art on the existing tools, we describe our tool based on a search of correlations between the designer's model and the model which can be predicted by an attacker. The analysis of the correlations determines the most sensitive bits to complete an attack. This tool is integrated into the design flow to asses the strength of cryptographic algorithms at RTL (Register Transfer Level) and gate levels. An application of our flow on several models of the algorithm AES (Advanced Encryption Standard) with and without counter-measures is proposed. The obtained results have demonstrated the effectiveness of our technique.Les circuits cryptographiques, parce qu'ils contiennent des informations confidentielles, font l'objet de manipulations frauduleuses, appelées communément attaques, de la part de personnes mal intentionnées. Plusieurs attaques ont été répertoriées et analysées. Parmi elles, les attaques DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behavior Analysis) et les attaques en probing forment la classe des attaques par corrélation et sont considérés comme les plus redoutables car elles permettent de retrouver, à moindre coût, les clefs de chiffrement des algorithmes cryptographiques. Les concepteurs de circuits sécurisés ont été donc amené à ajouter des parades, appelées contre-mesures, afin de protéger les circuits de ces attaques. Ces contremesures doivent impacter au minimum les performances et le coût du circuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux attaques par corrélation, le principe de ces attaques est décrit ainsi que les principales contre-mesures pour y parer. Un formalisme décrivant de manière unique ces attaques est aussi proposé. Dans un deuxième temps, nous étudions les outils d'évaluation sécuritaires qui permettent d'estimer la résistance des circuits intégrés face aux attaques par corrélation. Après un état de l'art sur les outils existants, nous décrivons notre outil basé sur une recherche de corrélations entre le modèle du concepteur et le modèle qui peut être prédit par un attaquant. L'analyse de corrélations permet de déterminer les bits les plus sensibles pour mener à bien une attaque. Cet outil est intégré dans le flot de conception permettant ainsi d'évaluer la résistance des algorithmes cryptographiques au niveau RTL (Register Transfer Level) et portes.

Les attaques cybernétiques causent une perte importante non seulement pour les utilisateurs finaux, mais aussi pour les fournisseurs de services Internet (FAI). Récemment, les clients des FAI ont été la cible numéro un de cyber-attaques telles que les attaques par déni de service distribué (DDoS). Ces attaques sont favorisées par la disponibilité généralisée outils pour lancer les attaques. Il y a donc un besoin crucial de contrer ces attaques par des mécanismes de défense efficaces. Les chercheurs ont consacré d’énormes efforts à la protection du réseau contre les cyber-attaques. Les méthodes de défense contiennent d’abord un processus de détection, complété par l’atténuation. Le manque d’automatisation dans tout le cycle de détection à l’atténuation augmente les dégâts causés par les cyber-attaques. Cela provoque des configurations manuelles de périphériques l’administrateur pour atténuer les attaques affectent la disponibilité du réseau. Par conséquent, il est nécessaire de compléter la boucle de sécurité avec un mécanisme efficace pour automatiser l’atténuation. Dans cette thèse, nous proposons un cadre d’atténuation autonome pour atténuer les attaques réseau qui visent les ressources du réseau, comme par les attaques exemple DDoS. Notre cadre fournit une atténuation collaborative entre le FAI et ses clients. Nous utilisons la technologie SDN (Software-Defined Networking) pour déployer le cadre d’atténuation. Le but de notre cadre peut se résumer comme suit : d’abord, les clients détectent les attaques et partagent les informations sur les menaces avec son fournisseur de services Internet pour effectuer l’atténuation à la demande. Nous développons davantage le système pour améliorer l’aspect gestion du cadre au niveau l’ISP. Ce système effectue l’extraction d’alertes, l’adaptation et les configurations d’appareils. Nous développons un langage de politique pour définir la politique de haut niveau qui se traduit par des règles OpenFlow. Enfin, nous montrons l’applicabilité du cadre par la simulation ainsi que la validation des tests. Nous avons évalué différentes métriques QoS et QoE (qualité de l’expérience utilisateur) dans les réseaux SDN. L’application du cadre démontre son efficacité non seulement en atténuant les attaques pour la victime, mais aussi en réduisant les dommages causés au trafic autres clients du FAI / Cyber attacks cause significant loss not only to end-users, but also Internet Service Providers (ISP). Recently, customers of the ISP have been the number one target of the cyber attacks such as Distributed Denial of Service attacks (DDoS). These attacks are encouraged by the widespread availability of tools to launch the attacks. So, there is a crucial need to counter these attacks (DDoS, botnet attacks, etc.) by effective defense mechanisms. Researchers have devoted huge efforts on protecting the network from cyber attacks. Defense methodologies first contains a detection process, completed by mitigation. Lack of automation in the whole cycle of detection to mitigation increase the damage caused by cyber attacks. It requires manual configurations of devices by the administrator to mitigate the attacks which cause the network downtime. Therefore, it is necessary to close the security loop with an efficient mechanism to automate the mitigation process. In this thesis, we propose an autonomic mitigation framework to mitigate attacks that target the network resources. Our framework provides a collaborative mitigation strategy between the ISP and its customers. The implementation relies on Software-Defined Networking (SDN) technology to deploy the mitigation framework. The contribution of our framework can be summarized as follows: first the customers detect the attacks and share the threat information with its ISP to perform the on-demand mitigation. We further develop the system to improve the management aspect of the framework at the ISP side. This system performs the alert extraction, adaptation and device configurations. We develop a policy language to define the high level policy which is translated into OpenFlow rules. Finally, we show the applicability of the framework through simulation as well as testbed validation. We evaluate different QoS and QoE (quality of user experience) metrics in SDN networks. The application of the framework demonstrates its effectiveness in not only mitigating attacks for the victim, but also reducing the damage caused to traffic of other customers of the ISP