Le calcul sur grille permet à un individu, une société, de disposer d’un ensemble d’unités de calcul fournies par des tiers. Dans ce type d’architecture, des problèmes de sécurité se posent : comment garantir à la fois la sécurité du matériel et de l’application. Pour ce qui concerne la sécurité de l’application, il s’agit principalement d’assurer la confidentialité du code et l’intégrité de son exécution. La sécurité du matériel consiste à protéger la machine contre tout code malveillant pouvant être contenu dans l’application. Aucun système ne permet aujourd’hui, de satisfaire ces contraintes fortes de sécurité. Notre objectif dans cette thèse est de proposer et de valider des solutions pour les problèmes de sécurité des grilles informatiques.Pour résoudre ces problèmes, nous proposons l’utilisation de la carte à puce comme support d’exécution hautement sécurisé à travers le déploiement de grilles de cartes à puce. Grâce aux mécanismes de sécurité qu’elles intègrent, les cartes à puce permettent en effet de protéger l’application et son code aussi bien que le support d’exécution. Le travail effectué dans cette thèse consiste à définir un environnement pour le calcul sécurisé sur grille de cartes à puce. / Abstract

Le domaine d'application des cartes à microprocesseur est de plus en plus vaste (le secteur monétaire, la téléphonie, la santé). Dorénavant, la carte s'intègre dans des systèmes distribués (paiement sur Internet, téléphonie mobile). Ainsi, malgré l'apparition de nouvelles cartes utilisant des langages de programmation répandus (comme Java pour la JavaCard), le développement des applications carte, dans un milieu distribué et très sujet aux pannes, se révèle de plus en plus complexe. Le modèle transactionnel, de par ses propriétés (Atomicité, Cohérence, Isolation et Durabilité) représente une bonne solution au traitement de ces problèmes. L'implantation de ce modèle dans les cartes à microprocesseur impose l'adaptation de deux mécanismes (la reprise sur panne, et le contrôle de concurrence sur les données) bien connus des systèmes transactionnels classiques. Pour cela, il a notamment fallu tenir compte de la faible taille mémoire disponible et du processeur peu puissant. L'utilisation de cartes gérant les mécanismes cités précédemment (la COST) dans des systèmes distribués s'effectue grâce à une architecture (appelée STIC), utilisant un service de validation distribuée (OTS pour CORBA). Un composant d'adaptation prend en charge les contraintes de la carte (notamment en terme de protocole de communication), de manière à ne pas modifier l'architecture des systèmes existants. Une maquette, basée sur la JavaCard et le service OTS de CORBA, a été réalisée dans le but de simuler une application de paiement sur Internet.

Les cartes à puce jouent un rôle crucial dans de nombreuses applications que nous utilisons quotidiennement : paiement par carte bancaire, téléphonie mobile, titres de transport électroniques, etc. C'est dans ce contexte que la technologie Java Card s'est imposée depuis son introduction en 1996, réduisant les coûts de développement et de déploiement d'applications pour cartes à puce et permettant la cohabitation de plusieurs applications au sein d'une même carte. La communauté scientifique a rapidement démontré que la possibilité donnée à un attaquant d'installer des applications sur les cartes représente une menace. Mais dans le même temps, la sécurité des systèmes embarqués a également été un sujet d'étude très productif, révélant que des algorithmes cryptographiques considérés comme sûrs pouvaient être facilement cassés si leurs implémentations ne prenaient pas en compte certaines propriétés physiques des composants électroniques qui les accueillent. En particulier, une partie des attaques publiées repose sur la capacité de l'attaquant à perturber physiquement le composant pendant qu'un calcul est exécuté. Ces attaques par injections de fautes n'ont que très peu été étudiées dans le contexte de la technologie Java Card. Cette thèse étudie et analyse la sécurité des Java Cards contre des attaques combinant injections de fautes et installations d'applications malicieuses. Tout d'abord, nous présentons différents chemins d'attaques combinées et exposons dans quelle mesure ces attaques permettent de casser différents mécanismes sécuritaires de la plateforme. En particulier, notre analyse sécuritaire permet de démontrer que la propriété de sûreté du typage, l'intégrité du flot de contrôle, ainsi que le mécanisme d'isolation des applications peuvent être contournés et exploités par des combinaisons adéquates. Puis, nous présentons différentes approches permettant d'améliorer la résistance de la plateforme Java Card ainsi que des applications qu'elle accueille contre des attaques combinées. Ainsi, nous définissons plusieurs contremesures rendant les attaques exposées ainsi que certaines attaques de l'état de l'art inopérantes, et ce en gardant à l'esprit les fortes contraintes inhérentes au monde des cartes à puce.

La mesure de performance est utilisée dans tous les systèmes informatiques pour garantir la meilleure performance pour le plus faible coût possible. L'établissement d'outils de mesures et de métriques a permis d'établir des bases de comparaison entre ordinateurs. Bien que le monde de la carte à puce ne fasse pas exception, les questions de sécurité occupent le devant de la scène pour celles-ci. Les efforts allant vers une plus grande ouverture des tests et de la mesure de performance restent discrets. Les travaux présentés ici ont pour objectif de proposer une méthode de mesure de la performance dans les plates-formes Java Card qui occupent une part considérable du marché de la carte à puce dans le monde d'aujourd'hui. Nous étudions en détails les efforts fournis par d'autres auteurs sur le sujet de la mesure de performance et en particulier la mesure de performance sur les cartes à puce. Un grand nombre de ces travaux restent embryonnaires ou ignorent certains aspects des mesures. Un des principaux défauts de ces travaux est le manque de rapport entre les mesures effectuées et les applications généralement utilisées dans les cartes à puce. Les cartes à puce ont par ailleurs des besoins importants en termes de sécurité. Ces besoins rendent les cartes difficiles à analyser. L'approche logique consiste à considérer les cartes à puce comme des boites noires. Après l'introduction de méthodologies de mesures de performance pour les cartes à puce, nous choisirons les outils et les caractéristiques des tests que nous voulons faire subir aux cartes, et nous analyserons la confiance à accorder aux données ainsi récoltées. Enfin une application originale des cartes à puce est proposée et permet de valider certains résultats obtenus.

L’évolution des réseaux informatiques, et notamment d’Internet, s’ancre dans l’émergence de paradigmes prépondérants tels que la mobilité et les réseaux sociaux. Cette évolution amène à considérer une réorganisation de la gestion des données circulant au cœur des réseaux. L’accès à des services offrant de la vidéo ou de la voix à la demande depuis des appareils aussi bien fixes que mobiles, tels que les Smartphones, ou encore la perméabilité des informations fournies à des réseaux sociaux conduisent à s’interroger sur la notion d’identité numérique et, de manière sous-jacente, à reconsidérer les concepts de sécurité et de confiance. La contribution réalisée dans ce travail de thèse consiste, dans une première partie, à analyser les différents modèles d’identité numérique existants ainsi que les architectures de fédération d’identité, mais également les protocoles déployés pour l’authentification et les problèmes de confiance engendrés par l’absence d’élément sécurisé tel qu’une carte à puce. Dans une deuxième partie, nous proposons, en réponse aux éléments dégagés dans la partie précédente, un modèle d’identité fortement attaché au protocole d’authentification TLS embarqué dans un composant sécurisé, permettant ainsi de fournir les avantages sécuritaires exigibles au cœur des réseaux actuels tout en s’insérant naturellement dans les différents terminaux, qu’ils soient fixes ou mobiles. Enfin, dans une dernière partie, nous expliciterons plusieurs applications concrètes, testées et validées, de ce modèle d’identité, afin d’en souligner la pertinence dans des cadres d’utilisation pratique extrêmement variés. / IT networks evolution, chiefly Internet, roots within the emergence of preeminent paradigms such as mobility and social networks. This development naturally triggers the impulse to reorganize the control of data spreading throughout the whole network. Taking into account access to services such as video or voice on demand coming from terminals which can be fixed or mobile such as smartphones, or also permeability of sensitive information provided to social networks, these factors compel a necessary interrogation about digital identity as a concept. It also intrinsically raises a full-fledged reconsideration of security and trust concepts. The contribution of this thesis project is in line, in a first part, with the analysis of the existing manifold digital identity frameworks as well as the study of current authentication protocols and trust issues raised by the lack of trusted environment such as smartcards. In a second part, as an answer to the concerns suggested in the first part, we will advocate an identity framework strongly bounded to the TLS authentication protocol which needs to be embedded in a secure component, thus providing the mandatory security assets for today’s networks while naturally fitting with a varied scope of terminals, be it fixed or mobile. In a last part, we will finally exhibit a few practical applications of this identity framework, which have been thoroughly tested and validated, this, in order to emphasize its relevance throughout multifarious use cases.

L’objectif de ce projet de recherche est de développer une technologie d’agents mobiles pour systèmes embarqués. Dans un premier temps, une plateforme d’agents mobiles pour systèmes embarqués homogènes est réalisée et, ensuite dans un deuxième temps, une application d’informatique diffuse qui exploite la mobilité du contexte d’exécution est mise en œuvre pour valider cette plateforme. La mobilité d’un agent est définie comme suit: son exécution est interrompue sur le nœud courant, appelé nœud source, ensuite les données représentant l’état de l’agent sont transférées du nœud source vers un nœud destination et enfin, arrivé au nœud destination, son exécution se poursuit là où elle avait été interrompue sur le nœud de départ. Cette opération, appelée migration du contexte d’exécution, est intégrée aux fonctionnalités d’un noyau temps réel, permettant ainsi la mobilité d’agents logiciels au sein d’une grappe de systèmes embarqués homogènes. Les applications visées par le projet relèvent du domaine de l’informatique diffuse et plus particulièrement de son application à l’espace intelligent.

De nos jours, l'emploi de la cryptographie est largement répandu et les circuits intègrent des primitives cryptographiques pour répondre à des besoins d'identification, de confidentialité, ... dans de nombreux domaines comme la communication, la PayTV, ...La sécurisation de ces circuits est donc un enjeu majeur. Les attaques par canaux cachés consistent à espionner ces circuits par différents biais comme le temps de calcul, la consommation en courant ou les émanations électromagnétiques pour obtenir des informations sur les calculs effectués et retrouver des secrets comme les clefs de chiffrement. Ces attaques ont l'avantage d'être indétectables, peu couteuses et ont fait l'objet des nombreuses études. Dans le cadre des attaques par analyse de la consommation en courant ou des émanations électromagnétiques l'acquisition de bonnes courbes est un point crucial. Malgré la forte utilisation de techniques de prétraitement dans la littérature, personne n'a tenté d'établir un modèle de fuite dans le domaine fréquentiel. Les travaux effectués durant cette thèse se concentrent donc sur cet aspect avec pour intérêt d'améliorer l'efficacité des attaques. De plus, de nouvelles attaques dans le domaine fréquentiel sont proposées, sujet peu étudié malgré l'intérêt de pouvoir exploiter plus efficacement la fuite éparpillée dans le temps. / Nowadays, the use of cryptography is widely spread, and a lot of devices provide cryptographic functions to satisfy needs such as identification, confidentiality, ... in several fields like communication, PayTV, ...Security of these devices is thus a major issue.Side Channel Attacks consist in spying a circuit through different means like the computation time, power consumption or electromagnetic emissions to get information on the performed calculus and discover secrets such as the cipher keys.These attacks have the advantage to be cheap and undetectable, and have been studied a lot.In the context of attacks analysing the power consumption or the electromagnetic emissions, the acquisition of good traces is a crucial point.Despite the high use of preprocessing techniques in the literature, nobody has attempted to model the leakage in the frequency domain.The works performed during this thesis are focusing on this topic with the motivation of improving the efficiency of attacks.What's more, new frequency domain attacks are proposed, subject poorly studied despite the advantage of better exploiting the leakage spread in time.

La baisse de confiance accordée aux serveurs traditionnels de bases de données et aux hébergeurs de bases de données (Database Service Providers) ainsi que l'intérêt croissant pour la distribution sélective de données sont différents facteurs qui amènent à migrer le contrôle d'accès du serveur vers les terminaux clients. Plusieurs schémas de chiffrement et de dissémination de clés ont été proposés dans ce but mais en compilant les règles de contrôle d'accès dans le processus de chiffrement, ils imposent tous un partage statique des données. L'apparition de composants matériels sécurisés sur divers terminaux clients permet de lever cette limitation en permettant de concevoir de nouveaux schémas dynamiques de contrôle d'accès sur le client. Cette thèse présente un évaluateur sécurisé de politiques de contrôle d'accès flexibles et dynamiques sur des documents XML. Cet évaluateur est embarqué dans un composant matériel sécurisé et doit par conséquent s'adapter à des contraintes matérielles spécifiques. Il tire pour cela parti d'un index dédié pour converger rapidement vers les parties autorisées d'un document arrivant éventuellement en flux sur le terminal client. Des mécanismes supplémentaires de sécurité garantissent que le document d'entrée est protégé contre toute forme de modification illicite et d'attaque de rejeu. La viabilité de notre approche est montrée dans divers contextes applicatifs sur des cartes à puces actuelles et est validée par des mesures de performance.

La cryptologie est un moyen de protéger la confidentialité, d'assurer l'intégrité, ou d'authentifier un système, tandis que la cryptanalyse est le moyen de retrouver l'information secrète. Les algorithmes cryptographiques modernes tels que AES ou DES sont impossibles à attaquer au niveau mathématique. La fuite d'information liée aux fonctionnements de ces machines est devenue un moyen puissant de cryptanalyse pour retrouver la clé secrète. Ces attaques sont connues sous le nom d'attaques par canaux cachés. Ce travail de thèse tente de trouver une réponse aux questions suivantes : * Existe t'il une architecture dont la fuite d'information ne permet pas à l'attaquant de retrouver la clé plus vite que par la cryptanalyse classique ? * Jusqu'à quel point ces fuites sont-elles tolérables, et comment peut-on maximiser l'utilisation de ces machines sans compromettre leur secret ? * Quelles sont les métriques pour déterminer la vulnérabilité des circuits électroniques face à une multitude de méthodes d'attaques ? Récemment d'innombrables chercheurs ont posé ces questions pour les différentes catégories de circuits électroniques. Dans ce travail de thèse nous restreignons notre espace de recherche parmi les circuits de type "FPGA" et de type "asynchrone". L'atout principal des circuits FPGA est leur reconfigurabilité, qui peut être utilisée pour modifier l'implémentation de l'algorithme face à une attaque. Les circuits asynchrones ont de bonnes propriétés telles que la tolérance aux fautes, la décorrélation de la consommation avec le calcul, qui permettent de réduire la portée des attaques par canaux cachés.

La mesure de performance est utilisée dans tous les systèmes informatiques pour garantir la meilleure performance pour le plus faible coût possible. L'établissement d'outils de mesures et de métriques a permis d'établir des bases de comparaison entre ordinateurs. Bien que le monde de la carte à puce ne fasse pas exception, les questions de sécurité occupent le devant de la scène pour celles-ci. Les efforts allant vers une plus grande ouverture des tests et de la mesure de performance restent discrets. Les travaux présentés ici ont pour objectif de proposer une méthode de mesure de la performance dans les plates-formes Java Card qui occupent une part considérable du marché de la carte à puce dans le monde d’aujourd’hui. Nous étudions en détails les efforts fournis par d'autres auteurs sur le sujet de la mesure de performance et en particulier la mesure de performance sur les cartes à puce. Un grand nombre de ces travaux restent embryonnaires ou ignorent certains aspects des mesures. Un des principaux défauts de ces travaux est le manque de rapport entre les mesures effectuées et les applications généralement utilisées dans les cartes à puce. Les cartes à puce ont par ailleurs des besoins importants en termes de sécurité. Ces besoins rendent les cartes difficiles à analyser. L'approche logique consiste à considérer les cartes à puce comme des boites noires. Après l'introduction de méthodologies de mesures de performance pour les cartes à puce, nous choisirons les outils et les caractéristiques des tests que nous voulons faire subir aux cartes, et nous analyserons la confiance à accorder aux données ainsi récoltées. Enfin une application originale des cartes à puce est proposée et permet de valider certains résultats obtenus. / Performance measurements are used in computer systems to guaranty the best performance at the lowest cost. Establishing measurement tools and metrics has helped build comparison scales between computers. Smart cards are no exception. But the centred stage of the smart card industry is mostly busy with security issues. Efforts towards a better integration of performance tests are still modest. Our work focused on a better approach in estimating the execution time within Java Card platforms. Those platforms constitute a big part of the modern smart card market share especially with regards to multi-applicative environments. After introducing some methodologies to better measure the performance of Java Cards, we detail the tools and the tests that we mean to use on smart cards. We will thereafter analyze the data obtained in this way. Finally, an original application for smart cards is proposed. We used it to validate some points about the results.