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

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

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

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

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

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

L'évolution des besoins en sécurité des applications grand public a entraîné la multiplication du nombre de systèmes sur puces doués de capacités de chiffrement. En parallèle, l'évolution des techniques de cryptanalyse permet d'attaquer les implantations des méthodes de chiffrement utilisées dans ces applications. Cette thèse porte sur le développement d'une méthodologie permettant l'évaluation de la robustesse apportée par des protections intégrées dans le circuit. Cette évaluation est basée d'une part sur l'utilisation de plates-formes laser pour étudier les types de fautes induits dans un prototype de circuit sécurisé ; et d'autre part, sur l'utilisation d'une méthode basée sur des simulations pendant la phase de conception pour comparer l'influence sur les canaux cachés de protections contre les fautes. Cette méthodologie a été utilisée dans un premier temps sur le cas simple d'un registre protégé par redondance d'information, puis sur des primitives cryptographiques telles qu'une S-Box AES et des co-processeurs AES et RSA. Ces deux études ont montré que l'ajout de capacités de détection ou de correction améliore la robustesse du circuit face aux différentes attaques.

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

En 2008, l'Institut National des Standards et de la Technologie américain (NIST) a initié une compétition publique, nommée SHA-3, afin de sélectionner une nouvelle norme pour les fonctions de hachage. Nous étudions ici des propriétés algébriques de certaines des fonctions candidates à ce concours. Parmi les fonctions étudiées se trouve l'algorithme Keccak, qui est depuis peu la fonction qui a remporté la compétition et qui est devenue le nouveau standard SHA-3. Dans un premier temps nous avons étudié et analysé un nouveau type de distingueur introduit en 2009 et appelé distingueur par partition en sommes nulles. Nous l'avons appliqué sur plusieurs candidats du concours SHA-3. Nous nous sommes ensuite intéressés au degré algébrique des permutations itérées. Nous avons établi une première borne qui exploite la structure des fonctions non-linéaires usuellement employées dans les constructions de type SPN. Après, nous avons étudié le rôle de la permutation inverse dans les constructions itérées et nous avons prouvé une deuxième borne, plus générale, sur le degré. Nous présentons également une étude sur une nouvelle notion concernant les boîtes-S, qui exprime le fait que certaines composantes d'une boîte-S peuvent s'exprimer comme des fonctions affines sur un sous-espace bien choisi et sur tous ses translatés. L'analyse de ce type de propriétés a mené à l'amélioration d'une cryptanalyse de la fonction de hachage Hamsi. Enfin, nous avons étudié la résistance contre les attaques par canaux cachés de deux candidats au concours SHA-3 et nous avons proposé des contre-mesures au niveau logiciel.

Les attaques par canaux cachés telles que les attaques par analyse de la consommation sont une menace pour la sécurité des circuits intégrés. Elles exploitent les fuites physiques émises par les circuits lors des calculs cryptographiques pour récupérer les informations secrètes qu'ils contiennent. De nombreuses contremesures, notamment matérielles, ont donc été proposées par la communauté dans le but de protéger les crypto-systèmes contre ce type d'attaques. Malgré leur efficacité, leur inconvénient majeur est leur surcoût important en surface, vitesse et consommation. Cette thèse a pour objectif de proposer des contremesures avec un faible coût au niveau matériel visant à réduire ces fuites et offrant un bon compromis entre sécurité et surcoûts. Pour cela, nous identifions tout d'abord les principales sources de fuites d'un crypto-système intégrant une architecture matérielle itérative d'un algorithme symétrique. Puis nous proposons plusieurs contremesures, à faible coût matériel, qui visent à réduire ces fuites. Enfin, nous évaluerons la robustesse de nos solutions face aux attaques par canaux cachés. / Side channel attacks such as power analysis attacks are a threat to the security of integrated circuits.They exploit the physical leakage of circuits during the cryptographic computations to retrieve the secret informations they contain. Many countermeasures, including hardware, have been proposed by the community in order to protect cryptosystems against such attacks. Despite their effectiveness, their major drawback is their significant additional cost in area, speed and consumption. This thesis aims at proposing low cost countermeasures able to reduce the leaks and offering a good compromise between security and costs. First we identify the main sources of leakage of a cryptographic system that integrates an iterative hardware architecture of a symetric algorithm. Then we propose several low cost countermeasures, which aim at reducing this leakage. Finally, we evaluate the robustness of our solutions against side channel attacks.