La Cryptographie sur les Courbes Elliptiques (abréviée ECC de l'anglais Elliptic Curve Cryptography) est devenue très importante dans les cartes à puces car elle présente de meilleures performances en temps et en mémoire comparée à d'autres cryptosystèmes asymétriques comme RSA. ECC est présumé incassable dans le modèle dit « Boite Noire », où le cryptanalyste a uniquement accès aux entrées et aux sorties. Cependant, ce n'est pas suffisant si le cryptosystème est embarqué dans un appareil qui est physiquement accessible à de potentiels attaquants. En plus des entrés et des sorties, l'attaquant peut étudier le comportement physique de l'appareil. Ce nouveau type de cryptanalyse est appelé cryptanalyse physique. Cette thèse porte sur les attaques physiques sur ECC. La première partie fournit les pré-requis sur ECC. Du niveau le plus bas au plus élevé, ECC nécessite les outils suivants : l'arithmétique sur les corps finis, l'arithmétique sur courbes elliptiques, la multiplication scalaire sur courbes elliptiques et enfin les protocoles cryptographiques. La deuxième partie expose un état de l'art des différentes attaques physiques et contremesures sur ECC. Pour chaque attaque, nous donnons le contexte dans lequel elle est applicable. Pour chaque contremesure, nous estimons son coût en temps et en mémoire. Nous proposons de nouvelles attaques et de nouvelles contremesures. Ensuite, nous donnons une synthèse claire des attaques suivant le contexte. Cette synthèse est utile pendant la tâche du choix des contremesures. Enfin, une synthèse claire de l'efficacité de chaque contremesure sur les attaques est donnée. / Elliptic Curve Cryptography (ECC) has gained much importance in smart cards because of its higher speed and lower memory needs compared with other asymmetric cryptosystems such as RSA. ECC is believed to be unbreakable in the black box model, where the cryptanalyst has access to inputs and outputs only. However, it is not enough if the cryptosystem is embedded on a device that is physically accessible to potential attackers. In addition to inputs and outputs, the attacker can study the physical behaviour of the device. This new kind of cryptanalysis is called Physical Cryptanalysis. This thesis focuses on physical cryptanalysis of ECC. The first part gives the background on ECC. From the lowest to the highest level, ECC involves a hierarchy of tools: Finite Field Arithmetic, Elliptic Curve Arithmetic, Elliptic Curve Scalar Multiplication and Cryptographie Protocol. The second part exhibits a state-of-the-art of the different physical attacks and countermeasures on ECC.For each attack, the context on which it can be applied is given while, for each countermeasure, we estimate the lime and memory cost. We propose new attacks and new countermeasures. We then give a clear synthesis of the attacks depending on the context. This is useful during the task of selecting the countermeasures. Finally, we give a clear synthesis of the efficiency of each countermeasure against the attacks.

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

Dans le cadre de la sécurité des systèmes embarqués, il est nécessaire de connaître les attaques logicielles et physiques pouvant briser la sécurité de composants cryptographiques garantissant l’intégrité, la fiabilité et la confidentialité des données. Etant donné que les algorithmes utilisés aujourd’hui comme Advanced Encryption Standard (AES) sont considérés comme résistants contre la cryptanalyse linéaire et différentielle, d’autres méthodes plus insidieuses sont utilisées pour récupérer les secrets de ces composants. En effet, la clé secrète utilisée pour le chiffrement de données peut fuiter pendant l’algorithme. Il est ainsi possible de mesurer cette fuite et de l’exploiter. Cette technique est appelée attaque par canal auxiliaire.Le principal objectif de ce manuscrit de thèse est de consolider les connaissances théoriques sur ce type de menace. Pour cela, nous appliquons des résultats de théorie de l’information à l’ étude par canal auxiliaire. Nous montrons ainsi comment il est possible de comparer un modèle de fuite par canal auxiliaire à un modèle de transmission de l’information. Dans un premier temps, nous montrons que la sécurité d’un composant est fortement dépendante du rapport signal à bruit de la fuite. Ce résultat a un impact fort car il ne dépend pas de l’attaque choisie. Lorsqu’un designer équipe son produit, il ne connaît pas encore la manière dont son système embarqué pourra être attaque plusieurs années plus tard. Les outils mathématiques proposés dans ce manuscrit pourront aider les concepteurs à estimer le niveau de fiabilité de leurs puces électroniques. / In the field of the security of the embeded systems, it is necessary to know and understandthe possible physical attacks that could break the security of cryptographic components. Sincethe current algorithms such as Advanced Encryption Standard (AES) are very resilient agaisntdifferential and linear cryptanalysis, other methods are used to recover the secrets of thesecomponents. Indeed, the secret key used to encrypt data leaks during the computation of thealgorithm, and it is possible to measure this leakage and exploit it. This technique to recoverthe secret key is called side-channel analysis.The main target of this Ph. D. manuscript is to increase and consolidate the knowledge onthe side-channel threat. To do so, we apply some information theoretic results to side-channelanalysis. The main objective is show how a side-channel leaking model can be seen as acommunication channel.We first show that the security of a chip is dependant to the signal-to-noise ratio (SNR) ofthe leakage. This result is very usefull since it is a genereic result independant from the attack.When a designer builds a chip, he might not be able to know in advance how his embededsystem will be attacked, maybe several years later. The tools that we provide in this manuscriptwill help designers to estimated the level of fiability of their chips.

Les domaines d'application de la cryptographie embarquée sont très divers et se retrouvent au croisement de toutes les applications personnelles, avec un besoin évident de confidentialité des données et également de sécurité d'accès des moyens de paiement. Les attaques matérielles invasives ont fait de tous temps partie de l'environnement industriel. L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles solutions pour protéger les circuits intégrés contre ces attaques physiques. La première partie décrit les notions d'attaques par canaux cachés, d'attaques invasives et de retro-conception. Plusieurs exemples de ces types d'attaques ont pu être mis en œuvre pendant le travail de recherche de cette thèse, ils sont présentés en détail dans cette partie. La deuxième partie est consacrée à des propositions de différentes contre-mesures pour contrer des attaques par canaux cachés ayant pour vecteur la consommation de courant. La troisième partie est dédiée à la protection contre les attaques invasives en utilisant divers types de boucliers et capteurs. Nous conclurons ce manuscrit de thèse par la proposition d'un bouclier actif cryptographique inviolable ayant pour but premier de contrer Je sondage, mais aussi celui de détecter l'injection de fautes et d'être immunisé contre les analyses par consommation de courant. / Embedded security applications are diverse and at the center of all personal embedded applications. They introduced an obvious need for data confidentiality and security in general. Invasive attacks on hardware have always been part of the industrial scene. The aim of this thesis is to propose new solutions in order to protect embedded circuits against some physical attacks described above. ln a first part of the manuscript, we detail the techniques used to achieve side-channel, invasive attacks and reverse engineering. I could implement several of these attacks during my thesis research, they will be detailed extensively. ln the second part we propose different hardware countermeasures against side-channel attacks. The third part is dedicated to protection strategies against invasive attacks using active shielding and we conclude this work by proposing an innovative cryptographic shield which is faulty and dpa resistant.

La protection de l’image médicale numérique comporte au moins deux aspects principaux: la sécurité et l’authenticité. Afin d’assurer la sécurité, l’information doit être protégée vis-à-vis des utilisateurs non autorisés. L’authenticité permet quant à elle de s’assurer que la donnée reçue n’est pas modifiée, n’est pas altérée, et qu’elle est bien envoyée par l’expéditeur supposé. La « technique » cryptographique garantit la sécurité en faisant l’hypothèse que l’expéditeur et le destinataire ont des clés permettant respectivement de crypter et de décrypter le message. De cette manière, seule la personne possédant la bonne clé peut décrypter le message et accéder au contenu de la donnée médicale. Dans cette thèse, nous avons apporté plusieurs contributions. La principale contribution est la proposition de solutions de tatouage d'images médicales robustes et réversibles dans le domaine spatial basées respectivement sur l’analyse de concepts formels (FCA) et le diagramme de décision binaire par suppression des zéros (ZBDD). La seconde est une approche de tatouage d’image médicale semi-aveugle pour la détection de modifications malveillantes. Une autre contribution est la proposition d'un système de chiffrement symétrique sécurisé basé sur les N-grams. La dernière contribution est un système hybride de tatouage et de cryptographie d’image médicale qui s’appuie sur une nouvelle forme de carte chaotique (chaotic map) pour générer des clés ayant des propriétés spécifiques, et qui permet d'obtenir une meilleure efficacité, une grande robustesse et une faible complexité par rapport aux approches existantes. / The protection of digital medical image comprises at least two main aspects: security and authentication. In order to ensure the security, the information has to be protected from the unauthorized users while the authentication confirms that the received data is not affected or modified and is sent by the intended sender (watermarking). The cryptography technique proves the security issues by assuming the intended sender and intended receiver have some security aspects called keys. So, after encryption of the digital material from the sender side, the person who has the key (receiver) can decrypt and access the content of the digital material. In this thesis, we have brought several contributions. The main one is the provision of robust and reversible medical image watermarking solutions in the spatial domain based respectively on FCA and ZBDD. The second one is a semi-blind medical image watermarking approach for the tamper detection. Another contribution is the proposal of a secure symmetric encryption system based on N-gram. The last contribution is a hybrid watermarking and cryptography medical image system which focuses on a new form of chaotic map to generate keys with specific properties, and achieves better efficiency, high robustness and low complexity than the existing approaches.

Les attaques par canaux auxiliaires sont les attaques les plus efficaces contre les systèmes cryptographiques. Alors que les attaques classiques n’exploitent que les entrées et sorties des algorithmes cryptographiques, les attaques par canaux auxiliaires utilisent également les fuites physiques du composant sous-jacent. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux attaques par canaux auxiliaires qui exploitent la consommation de courant des composants pour retrouver les clefs secrètes. Ces attaques sont désignées par le terme attaques par analyse de courant. La majorité des attaques par analyse de courant existantes repose sur l’observation de variables dépendant uniquement de quelques bits de secret avec la stratégie diviser-pour-régner. Dans cette thèse, nous exhibons de nouvelles attaques qui exploitent l’observation de variables intermédiaires largement dépendantes de grands secrets. Notamment, nous montrons qu’en observant uniquement la fuite physique du résultat d’une multiplication de Galois entre une clef secrète de 128 bits et plusieurs messages connus, nous pouvons en déduire un système d’équations avec erreurs puis retrouver cette clef secrète. En parallèle, nous nous intéressons aux deux contre-mesures algorithmiques les plus répandues contre ces attaques par analyse de courant : les fonctions intrinsèquement résistantes aux fuites physiques et les schémas de masquage. Dans un premier temps, nous définissons un schéma de chiffrement résistant aux fuites physiques qui repose sur un rafraîchissement régulier de la clef secrète. Nous prouvons la sécurité de ce schéma dans le modèle de cryptographie résistante aux fuites (en anglais, leakage-resilient cryptography). Dans un second temps, nous construisons, à l’aide des méthodes formelles, un outil permettant de vérifier automatiquement la sécurité d’implémentations masquées. Nous exhibons également de nouvelles propriétés de sécurité, ainsi que des propriétés de composition qui nous permettent de générer une implémentation masquée à n’importe quel ordre à partir d’une implémentation non protégée. Finalement, nous présentons une étude de comparaison entre ces deux contre-mesures algorithmiques dans le but d’aider les experts industriels à déterminer la meilleure protection à intégrer dans leurs produits en fonction de leurs contraintes en termes de sécurité et de performances. / Side-channel attacks are the most efficient attacks against cryptosystems. While the classical blackbox attacks only exploit the inputs and outputs of cryptographic algorithms, side-channel attacks also get use of the physical leakage released by the underlying device during algorithms executions. In this thesis, we focus on one kind of side-channel attacks which exploits the power consumption of the underlying device to recover the algorithms secret keys. They are gathered under the term power-analysis attacks. Most of the existing power-analysis attacks rely on the observations of variables which only depend on a few secret bits using a divide-and-conquer strategy. In this thesis, we exhibit new kinds of attacks which exploit the observation of intermediate variables highly dependent on huge secrets. In particular, we show how to recover a 128-bit key by only recording the leakage of the Galois multiplication’s results between several known messages and this secret key. We also study two commonly used algorithmic countermeasures against side-channel attacks: leakage resilience and masking. On the one hand, we define a leakage-resilient encryption scheme based on a regular update of the secret key and we prove its security. On the other hand, we build, using formal methods, a tool to automatically verify the security of masked algorithms. We also exhibit new security and compositional properties which can be used to generate masked algorithms at any security order from their unprotected versions. Finally, we propose a comparison between these two countermeasures in order to help industrial experts to determine the best protection to integrate in their products, according to their constraints in terms of security and performances.

Dans cette thèse nous développons et améliorons des attaques de systèmes cryptographiques. Un nouvel algorithme de décomposition de signal appelé transformation de Hilbert-Huang a été adapté pour améliorer l’efficacité des attaques parcanaux auxiliaires. Cette technique permet de contrecarrer certaines contre-mesures telles que la permutation d’opérations ou l’ajout de bruit à la consommation de courant. La seconde contribution de ce travail est l’application de certaines distributions statistiques de poids de Hamming à l’attaque d’algorithmes de chiffrement par bloc tels que AES, DES ou LED. Ces distributions sont distinctes pour chaque valeur de sous-clef permettent donc de les utiliser comme modèles intrinsèques. Les poids de Hamming peuvent être découverts par des analyses de canaux auxiliaires sans que les clairs ni les chiffrés ne soient accessibles. Cette thèse montre que certaines contremesures peuvent parfois faciliter des attaques. Les contre-mesures contagieuses proposées pour RSA protègent contre les attaques par faute mais ce faisant et moyennant des calculs additionnels facilitent la découverte de la clef. Finalement, des contre-mesures à faible complexité calculatoire sont proposées. Elles sont basées sur le masquage antagoniste, c’est-à-dire, l’exécution d’une opération d’équilibrage sur des données sensibles pour masquer la consommation de courant. / The goal of the thesis is to develop and improve methods for defeating protected cryptosystems. A new signal decompositionalgorithm, called Hilbert Huang Transform, was adapted to increase the efficiency of side-channel attacks. This technique attempts to overcome hiding countermeasures, such as operation shuffling or the adding of noise to the power consumption. The second contribution of this work is the application of specific Hamming weight distributions of block cipher algorithms, including AES, DES, and LED. These distributions are distinct for each subkey value, thus they serve as intrinsic templates. Hamming weight data can be revealed by side-channel and fault attacks without plaintext and ciphertext. Therefore these distributions can be applied against implementations where plaintext and ciphertext are inaccessible. This thesis shows that some countermeasures serve for attacks. Certain infective RSA countermeasures should protect against single fault injection. However, additional computations facilitate key discovery. Finally, several lightweight countermeasures are proposed. The proposed countermeasures are based on the antagonist masking, which is an operation occurring when targeting data processing, to intelligently mask the overall power consumption.

La génération d’aléa joue un rôle fondamental en cryptographie et en sécurité. Des nombres aléatoires sont nécessaires pour la production de clés cryptographiques ou de vecteurs d’initialisation et permettent également d’assurer que des protocoles d’échange de clé atteignent un niveau de sécurité satisfaisant. Dans la pratique, les bits aléatoires sont générés par un processus de génération de nombre dit pseudo-aléatoire, et dans ce cas, la sécurité finale du système dépend de manière cruciale de la qualité des bits produits par le générateur. Malgré cela, les générateurs utilisés en pratique ne disposent pas ou peu d’analyse de sécurité permettant aux utilisateurs de connaître exactement leur niveau de fiabilité. Nous fournissons dans cette thèse des modèles de sécurité pour cette analyse et nous proposons des constructions prouvées sûres et efficaces qui répondront à des besoins de sécurité forts. Nous proposons notamment une nouvelle notion de robustesse et nous étendons cette propriété afin d’adresser les attaques sur la mémoire et les attaques par canaux cachés. Sur le plan pratique, nous effectuons une analyse de sécurité des générateurs utilisés dans la pratique, fournis de manière native dans les systèmes d’exploitation (/dev/random sur Linux) et dans les librairies cryptographiques (OpenSSL ou Java SecureRandom) et nous montrons que ces générateurs contiennent des vulnérabilités potentielles. / In cryptography, randomness plays an important role in multiple applications. It is required in fundamental tasks such as key generation and initialization vectors generation or in key exchange. The security of these cryptographic algorithms and protocols relies on a source of unbiased and uniform distributed random bits. Cryptography practitioners usually assume that parties have access to perfect randomness. However, quite often this assumption is not realizable in practice and random bits are generated by a Pseudo-Random Number Generator. When this is done, the security of the scheme depends of course in a crucial way on the quality of the (pseudo-)randomness generated. However, only few generators used in practice have been analyzed and therefore practitioners and end users cannot easily assess their real security level. We provide in this thesis security models for the assessment of pseudo-random number generators and we propose secure constructions. In particular, we propose a new definition of robustness and we extend it to capture memory attacks and side-channel attacks. On a practical side, we provide a security assessment of generators used in practice, embedded in system kernel (Linux /dev/random) and cryptographic libraries (OpenSSL and Java SecureRandom), and we prove that these generators contain potential vulnerabilities.

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.

Dans cette thèse, nous analysons les vulnérabilités introduites par les infrastructures de test, comme les chaines de scan, utilisées dans les circuits intégrés digitaux dédiés à la cryptographie sur la sécurité d'un système. Nous développons de nouvelles attaques utilisant ces infrastructures et proposons des contre-mesures efficaces. L'insertion des chaînes de scan est la technique la plus utilisée pour assurer la testabilité des circuits numériques car elle permet d'obtenir d'excellents taux de couverture de fautes. Toutefois, pour les circuits intégrés à vocation cryptographique, les chaînes de scan peuvent être utilisées comme une porte dérobée pour accéder à des données secrètes, devenant ainsi une menace pour la sécurité de ces données. Nous commençons par décrire une série de nouvelles attaques qui exploitent les fuites d'informations sur des structures avancées de conception en vue du test telles que le compacteur de réponses, le masquage de valeur inconnues ou le scan partiel, par exemple. Au travers des attaques que nous proposons, nous montrons que ces structures ne protégent en rien les circuits à l'inverse de ce que certains travaux antérieurs ont prétendu. En ce qui concerne les contre-mesures, nous proposons trois nouvelles solutions. La première consiste à déplacer la comparaison entre réponses aux stimuli de test et réponses attenduesde l'équipement de test automatique vers le circuit lui-même. Cette solution entraine un surcoût de silicium négligeable, n'aucun impact sur la couverture de fautes. La deuxième contre-mesure viseà protéger le circuit contre tout accès non autorisé, par exemple au mode test du circuit, et d'assurer l'authentification du circuit. A cet effet, l'authentification mutuelle utilisant le protocole de Schnorr basé sur les courbes elliptiques est mis en oeuvre. Enfin, nous montronsque les contre-mesures algorithmiques agissant contre l'analyse différentielle peuvent être également utilisées pour se prémunir contre les attaques par chaine de scan. Parmi celles-ci on citera en particulier le masquage de point et le masquage de scalaire. / In this thesis, we firstly analyze the vulnerabilities induced by test infrastructures onto embedded secrecy in digital integrated circuits dedicated to cryptography. Then we propose new scan-based attacks and effective countermeasures. Scan chains insertion is the most used technique to ensure the testability of digital cores, providing high-fault coverage. However, for ICs dealing with secret information, scan chains can be used as back doors for accessing secret data, thus becominga threat to device's security. We start by describing a series of new attacks that exploit information leakage out of advanced Design-for-Testability structures such as response compaction, X-Masking and partial scan. Conversely to some previous works that proposed that these structures are immune to scan-based attacks, we show that our new attacks can reveal secret information that is embedded inside the chip boundaries. Regarding the countermeasures, we propose three new solutions. The first one moves the comparison between test responses and expected responses from the AutomaticTest Equipment to the chip. This solution has a negligible area overhead, no effect on fault coverage. The second countermeasure aims to protect the circuit against unauthorized access, for instance to the test mode, and also ensure the authentication of the circuit. For thatpurpose, mutual-authentication using Schnorr protocol on Elliptic Curves is implemented. As the last countermeasure, we propose that Differential Analysis Attacks algorithm-level countermeasures, suchas point-blinding and scalar-blinding can be reused to protect the circuit against scan-based attacks.