Les attaques en fautes consistent à perturber le fonctionnement d'un circuit intégré afin d'accéder à des informations confidentielles. Ce type d'attaque est critique pour la sécurité d'une application, en raison de la vaste gamme d'effets possibles : saut d'instructions, modifications de valeurs de registres … Les moyens mis en œuvre pour corrompre le fonctionnement d'un dispositif électronique sont divers et variés. Un circuit peut ainsi être utilisé en dehors de ses limites opérationnelles (en T°, V ou fréquence d'horloge), être soumis à de brusques variations de tension ou voir son signal d'horloge altéré. Ces attaques restent néanmoins globales, car elles perturbent le circuit dans son intégralité. De fait, elles sont facilement détectables par les nombreuses contremesures et capteurs intégrés de nos jours dans les circuits sécurisés. Des techniques plus élaborées ont ainsi vu le jour, notamment attaques dites LASER. Elles permettent de cibler une zone définie du circuit avec un effet très local, diminuant les risques d'être détectées par les capteurs ainsi que l'apparition de dysfonctionnements complets du système. Toutefois, ces attaques nécessitent une préparation physico-chimique du circuit, à la fois coûteuse et potentiellement destructrice pour l'échantillon ciblé. En raison de leur propriété de pénétration dans les matériaux, les injections électromagnétiques (Electromagnetic Injections) permettent, en théorie, de s'affranchir de toute étape de préparation. Leur capacité à transmettre de l'énergie sans contact direct, ainsi que la possibilité de les produire en possédant un matériel peu onéreux en font une technique de perturbation à fort potentiel. C'est dans ce contexte que cette thèse, intitulée « Injections électromagnétiques : développement d'outils et méthodes pour la réalisation d'attaques matérielles. » a été menée avec comme principaux objectifs la recherche de moyens de perturbation sans contact ne nécessitant pas d'étapes de préparation des échantillons, et produisant des effets localisés. Plus particulièrement, ces travaux de recherche ont donc d'abord été axés sur la réalisation d'une plateforme d'attaques basées sur la génération d'ondes EM harmoniques, en se focalisant sur les éléments clés que sont les sondes d'injection. Diverses expérimentations sur circuits intégrés en technologie récente, notamment sur une structure de générateur d‘horloge interne, ont permis de valider son efficacité. Enfin, des attaques sur générateurs de nombres aléatoires ont également été réalisées et ont démontré la possibilité de réduire l'aléa produit en sortie, en utilisant soit le phénomène de ‘locking' ou de manière plus surprenante, en provocant des fautes lors de l'échantillonnage des données par les éléments mémoires. / Attacks based on fault injection consist in disturbing a cryptographic computation in order to extract critical information on the manipulated data. Fault attacks constitute a serious threat against applications, due to the expected effects: bypassing control and protection, granting access to some restricted operations… Nevertheless, almost of classical ways (T°,V,F) and optical attacks are limited on the newest integrated circuits, which embed several countermeasures as active shield, glitch detectors, sensors… In this context, potentials of Electromagnetic active attacks must undoubtedly be taken into account, because of their benefits (penetrating characteristics, contactless energy transmission, low cost power production…). In this work, EM active attacks based on continuous mode are presented, with a particular attention to the development and optimization of injection probes, with a complete characterization of EM fields provided by each probe at the IC surface. Finally, some experiments are realized on internal clock generator or on true random numbers generators, then evaluated to prove the efficiency of these techniques. Keywords. Hardware Attacks, Faults Attacks, EM induced faults, CMOS Integrated Circuits.

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.

Les attaques par canaux auxiliaires telles que l'analyse différentielle de la consommation de courant (DPA) et l'analyse différentielle des émissions électromagnétiques (DEMA) constituent une menace sérieuse pour la sécurité des systèmes embarqués. L'objet de cette thèse est d'étudier les vulnérabilités des implantations logicielles des algorithmes cryptographiques face à ces attaques pour concevoir un processeur d'un nouveau type. Pour cela, nous commençons par identifier les différents éléments des processeurs embarqués qui peuvent être exploités pour obtenir des informations secrètes. Puis, nous introduisons des stratégies qui privilégient un équilibre entre performance et sécurité pour protéger de telles architectures au niveau transfert de registres (RTL). Nous présentons également la conception et l'implantation d'un processeur sécurisé, le SecretBlaze-SCR. Enfin, nous évaluons l'efficacité des solutions proposées contre les analyses électromagnétiques globales et locales à partir de résultats expérimentaux issus d'un prototype du SecretBlaze-SCR réalisé sur FPGA. A travers cette étude de cas, nous montrons qu'une combinaison appropriée de contre-mesures permet d'accroître significativement la résistance aux analyses par canaux auxiliaires des processeurs tout en préservant des performances satisfaisantes pour les systèmes embarqués. / Side-channel attacks such as differential power analysis (DPA) and differential electromagnetic analysis (DEMA) pose a serious threat to the security of embedded systems. The aim of this thesis is to study the side-channel vulnerabilities of software cryptographic implementations in order to create a new class of processor. For that purpose, we start by identifying the different elements of embedded processors that can be exploited to reveal the secret information. Then, we introduce several strategies that seek a balance between performance and security to protect such architectures at the register transfer level (RTL). We also present the design and implementation details of a secure processor, the SecretBlaze-SCR. Finally, we evaluate the effectiveness of the proposed solutions against global and local electromagnetic analyses from experimental results obtained with a FPGA-based SecretBlaze-SCR. Through this case study, we show that a suitable combination of countermeasures significantly increases the side-channel resistance of processors while maintaining satisfactory performance for embedded systems.

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.

La première partie de la thèse porte sur l'utilisation de la méthode des variances dans le cadre des attaques différentielles sur des schémas de Feistel généralisés. Cette méthode permet d'améliorer des attaques sur deux points : la complexité en données ou le nombre de tours couvert par l'attaque.Afin d'atteindre ce but, un outil a été développé permettant de calculer la valeur exacte de l'espérance et de la variance et nous nous servons alors de cette précision pour améliorer les attaques.La seconde partie porte sur une famille de schémas de chiffrement : les EGFN.Nous avons utilisé la méthode des variances et notre outil afin de construire des attaques différentielles. Des simulations ont été effectuées afin de confirmer les résultats.Dans la dernière partie, nous nous intéressons à LILLIPUT, un système de chiffrement concret issu des EGFN. Nous avons effectué une analyse différentielle et monté des attaques avec une structure spécifique.Ces attaques sont trouvées par un programme cherchant des attaques automatiquement. Nous avons notamment mis en avant la possibilité d'études sur les attaques différentielles improbables. / The first part of the thesis is the cryptanalysis of generalized Feistel networks with the use of the variance method.This method allows to improve existing attacks by two ways: data complexity or the number of rounds. In order to do that, we have developed a tool which computes the right values of expectations and variances.It provides a better analysis of the attacks.In the second part, we have studied the EGFN a new family of generalized Feistel networks. We have used the variance method and our tool in order to build some differential attacks. Simulations were made to confirm the theoritical study.In the last part, we have studied LILLIPUT, a concret cipher based on the EGFN.We have provided a differential analysis and build differential attacks which have unusual conditions. These attacks were found empirically by a tool that automatically look for differential attacks. In particular, we have highlighted some improbable differential attacks.

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.

Le multicast est un mécanisme efficace qui permet à un grand nombre de récepteurs de recevoir le même contenu puisqu'un paquet traverse une fois et une seule un lien donné. Le multicast a été étudié de longue date et pourtant à ce jour aucun déploiement à grande échelle n'a eu lieu. Aujourd'hui l'une des raisons du non déploiement du multicast auprès des opérateurs de réseaux est la problématique de la sécurité. Or, deux niveaux complémentaires de sécurité doivent être considérés : (1) la sécurité applicative qui est essentiellement la préoccupation des clients finaux et les fournisseurs de contenu, et (2) la sécurité de l'infrastructure de routage multicast, qui est la préoccupation de l'opérateur de réseau. <br />Ce travail considère la sécurité de l'infrastructure multicast du point de vue de l'opérateur de réseau. Or, l'opérateur est essentiellement concerné par un problème de « continuité de service en toutes circonstances », même dans le cas ou son réseau est victime d'une attaque.<br />Dans cette thèse nous identifions les attaques possibles, nous les classons selon leur dangerosité pour l'opérateur, et identifions divers mécanismes de sécurité pour y faire face. Cette étude révèle que l'infrastructure est fortement vulnérable aux attaques DoS consommant les ressources de réseau, ce dernier devenant alors lent voir indisponible. Ces attaques sont faciles à lancer de la périphérie de réseau (intentionnellement ou non) en utilisant les protocoles de gestion de groupe IGMP/MLD. Notre étude révèle également les limites des approches proposées pour répondre à ces attaques. A la lumière de l'analyse détaillée de la problématique, des vulnérabilités, et des solutions actuelles, nous proposons une nouvelle approche pour aider le réseau de l'opérateur à se défendre contre les attaques basées sur IGMP ou MLD. Notre proposition suit une approche pragmatique et flexible, qui garantit qu'elle sera facilement déployée dans les infrastructures existantes, et vise également à protéger les clients légitimes en cas d'attaque.

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

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'analyse et la modélisation du trafic Internet à l'échelle des flots. Les informations sur les flots (surtout les grands flots) sont très utiles dans différents domaines comme l'ingénierie du trafic, la supervision du réseau et la sécurité. L'extraction en ligne des statistiques sur les flots est une tâche difficile à cause du très haut débit du trafic actuel. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse à l'étude de deux classes d'algorithmes traitant en ligne le trafic Internet. Dans la première partie, nous avons conçu un nouvel algorithme basé sur les filtres de Bloom pour l'identification en ligne des grands flots. Le point fort de cet algorithme est l'adaptation automatique aux variations du trafic. Une application intéressante est la détection en ligne des attaques par déni de service. Nous avons donc développé une version de l'algorithme qui intègre les spécificités des attaques. L'expérimentation en ligne montre que cette nouvelle méthode est capable d'identifier quasiment toutes les sources de trafic anormal avec un délai très court. Nous avons aussi étudié la performance de l'algorithme d'identification en ligne des grands flots. En considérant un modèle simplifié, nous avons pu approcher l'erreur générée par cet algorithme sur l'estimation du nombre de grands flots. Cette étude a permis en particulier d'évaluer l'impact des différents paramètres de l'algorithme sur sa performance. Les algorithmes présentés dans la première partie s'appliquent sur la totalité du trafic, ce qui n'est pas toujours possible car dans certains cas, on ne dispose que du trafic échantillonné. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'étude de l'échantillonnage et des algorithmes d'inférence des caractéristiques du trafic d'origine. D'abord, en utilisant un résultat d'approximations poissonniennes, nous avons montré que les deux méthodes d'échantillonnage: déterministe et probabiliste donnent des résultats équivalents du point de vue composition du trafic échantillonné en flots. Ensuite, nous avons conçu un algorithme permettant d'estimer, par un calcul asymptotique, à partir du trafic échantillonné, le nombre de flots dans le trafic réel et la distribution de leur taille sur un intervalle de temps court. Ceci permet de faire l'hypothèse à priori que cette distribution suit une loi de Pareto. Cette hypothèse a été validée sur des traces de trafic de différentes natures.

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.