L'analyse différentielle de consommation (notée DPA pour Differential Power Analysis) est une puissante attaque non intrusive par canal auxilliaire dont l'objectif est de retrouver des informations secrètes contenues dans des circuits intégrés en exploitant la consommation globale. Des clés de chiffrement peuvent alors être découvertes pendant l'exécution d'algorithmes cryptographiques. L'objet de cette thèse est de proposer une contre-mesure véritablement efficace basée sur la conception de portes logiques intrinsèquement résistantes à la DPA indépendamment des états logiques et électriques passés, présents et futurs. Il est alors théoriquement possible de concevoir des circuits intégrés résistants à l'attaque DPA. La contre-mesure proposée repose sur des bases microélectroniques précises qui permettent d'expliciter les sources de la DPA. La solution s'appuie sur la conception CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) de circuits intégrés réalisant des algorithmes cryptographiques tels que l'AES (Advanced Encryption Standard).

L'évolution actuelle des systèmes embarqués à bord des systèmes complexes (avions, satellites, navires, automobiles, etc.) les rend de plus en plus vulnérables à des attaques, en raison de : (1) la complexité croissante des applications ; (2) l'ouverture des systèmes vers des réseaux et systèmes qui ne sont pas totalement contrôlés ; (3) l'utilisation de composants sur étagère qui ne sont pas développés selon les méthodes exigées pour les systèmes embarqués critiques ; (4) le partage de ressources informatiques entre applica- tions, qui va de pair avec l'accroissement de puissance des processeurs. Pour faire face aux risques de malveillances ciblant les systèmes embarqués, il est nécessaire d'appli- quer ou d'adapter les méthodes et techniques de sécurité qui ont fait leurs preuves dans d'autres contextes : Méthodes formelles de spécification, développement et vérification ; Mécanismes et outils de sécurité (pare-feux, VPNs, etc.) ; Analyse de vulnérabilités et contre-mesures. C'est sur ce dernier point que portent nos travaux de thèse. En effet, cet aspect de la sécurité a peu fait l'objet de recherche, contrairement aux méthodes formelles. Cependant, il n'existe pas actuellement de modèle formel capable de couvrir à la fois des niveaux d'abstraction suffisamment élevés pour permettre d'exprimer les propriétés de sécurité désirées, et les détails d'implémentation où se situent la plupart des vulnérabilités susceptibles d'être exploitées par des attaquants : fonctions des noyaux d'OS dédiées à la protection des espaces d'adressage, à la gestion des interruptions et au changement de contextes, etc. ; implémentation matérielle des mécanismes de protection et d'autres fonctions ancillaires. C'est sur ces vulnérabilités de bas niveau que se focalise notre étude. Nos contributions sont résumées par la suite. Nous avons proposé une classification des attaques possibles sur un système temps-réel. En nous basant sur cette classification, nous avons effectué une analyse de vulnérabilité sur un système réaliste : une plateforme avionique expérimentale fournie par Airbus. Il s'agit d'un noyau temps-réel critique or- donnancé avec plusieurs autres applications, le tout exécuté sur une plateforme Freescale QorIQ P4080. C'est à travers une application dite " malveillante ", présente parmi l'en- semble des applications, que nous essayons de modifier le comportement des autres appli- cations ou du système global pour détecter des vulnérabilités. Cette méthode d'analyse de vulnérabilités a permis de détecter plusieurs problèmes concernant les accès mémoire, la communication entre applications, la gestion du temps et la gestion des erreurs qui pouvaient conduire à la défaillance du système global. Enfin, nous avons proposé des contre-mesures spécifiques à certaines attaques et des contre-mesures génériques pour le noyau temps-réel qui permet d'empêcher une application d'obtenir des accès privilégiés ou encore de perturber le comportement du système.

L’évolution actuelle des systèmes embarqués à bord des systèmes complexes (avions,satellites, navires, automobiles, etc.) les rend de plus en plus vulnérables à des attaques,en raison de : (1) la complexité croissante des applications ; (2) l’ouverture des systèmes vers des réseaux et systèmes qui ne sont pas totalement contrôlés ; (3) l’utilisation de composants sur étagère qui ne sont pas développés selon les méthodes exigées pour les systèmes embarqués critiques ; (4) le partage de ressources informatiques entre applications, qui va de pair avec l’accroissement de puissance des processeurs. Pour faire face aux risques de malveillances ciblant les systèmes embarqués, il est nécessaire d’appliquer ou d’adapter les méthodes et techniques de sécurité qui ont fait leurs preuves dans d’autres contextes : Méthodes formelles de spécification, développement et vérification ;Mécanismes et outils de sécurité (pare-feux, VPNs, etc.) ; Analyse de vulnérabilités et contre-mesures. C’est sur ce dernier point que portent nos travaux de thèse.En effet, cet aspect de la sécurité a peu fait l’objet de recherche, contrairement aux méthodes formelles. Cependant, il n’existe pas actuellement de modèle formel capable de couvrir à la fois des niveaux d’abstraction suffisamment élevés pour permettre d’exprimer les propriétés de sécurité désirées, et les détails d’implémentation où se situent la plupart des vulnérabilités susceptibles d’être exploitées par des attaquants : fonctions des noyaux d’OS dédiées à la protection des espaces d’adressage, à la gestion des interruptions et au changement de contextes, etc. ; implémentation matérielle des mécanismes de protection et d’autres fonctions ancillaires. C’est sur ces vulnérabilités de bas niveau que se focalise notre étude.Nos contributions sont résumées par la suite. Nous avons proposé une classification des attaques possibles sur un système temps-réel. En nous basant sur cette classification,nous avons effectué une analyse de vulnérabilité sur un système réaliste : une plateforme avionique expérimentale fournie par Airbus. Il s’agit d’un noyau temps-réel critique ordonnancé avec plusieurs autres applications, le tout exécuté sur une plateforme Freescale QorIQ P4080. C’est à travers une application dite « malveillante », présente parmi l’en-semble des applications, que nous essayons de modifier le comportement des autres applications ou du système global pour détecter des vulnérabilités. Cette méthode d’analyse de vulnérabilités a permis de détecter plusieurs problèmes concernant les accès mémoire,la communication entre applications, la gestion du temps et la gestion des erreurs qui pouvaient conduire à la défaillance du système global. Enfin, nous avons proposé des contre-mesures spécifiques à certaines attaques et des contre-mesures génériques pour le noyau temps-réel qui permet d’empêcher une application d’obtenir des accès privilégiés ou encore de perturber le comportement du système. / Security is becoming a major concern for embedded computing systems in variouscritical industrial sectors (aerospace, satellites, automotive, etc.). Indeed, recent trendsin the development and operation of such systems, have made them more and morevulnerable to potential attacks, for the following reasons : 1) increasing complexity of theapplications ; 2) openness to applications and networks that are note completely undercontrol ; 3) Use Commercial-Off-The-Shelf (COTS) hardware and software components ;4) Resource sharing among different applications, driven by the increase of processorscapabilities.To improve the security of such systems, it is necessary to apply or adapt methodsand techniques that have proven their efficiency in other contexts : Formal methods forspecification, development and verification ; Security mechanisms and tools (firewalls,VPNs, etc.) ; Vulnerability assessment and countermeasure provision.The research carried out in this thesis adresses the latter technique. This aspect ofsecurity analysis cannot be easily covered by current formal methods, since no exist-ing model is able to cover both high-level abstractions, where security properties canbe defined, and low-level implementation details, where most vulnerabilities that couldbe exploited by attackers lie : OS kernel implementation of address space protection,interrupt management, context switching, etc. ; hardware implementation of protectionmechanisms and other ancillary functions. Very few research projects are addressing thisaspect of security, which is the main objective of this thesis. In particular, our researchfocuses on low-level vulnerabilities, but contrarily with common practice, we aim todiscover and analyze them during the development process.Our contributions are summarized as follows. We elaborated a classification of low-level vulnerabilities for different implementations of real-time embedded systems. Basedon this classification, we carried out a vulnerability analysis study on a realistic system :An experimental avionic platform provided by Airbus. It consists of a critical real-timekernel scheduling the execution of different applications on a freescale QorIQ P4080platform. The identification and analysis of vulnerabilities is carried out based on a“malicious” application hosted on the platform that attempts to corrupt the behavior ofthe other applications or the global system considering different types of low level attacks.Such experiments allowed us to identify some problems related to the management ofmemory accesses, the communication between applications, time management and errorhandling that could lead to the global system failure.We have also proposed genericcounter measures to protect the real-time kernel against specific attacks, and to preventa given application from escalating its privileges or trying to compromise the systembehavior

Cette thèse porte sur l'étude, la conception matérielle, la validation théorique et pratique, et enfin la comparaison de différents opérateurs arithmétiques pour des cryptosystèmes basés sur les courbes elliptiques (ECC). Les solutions proposées doivent être robustes contre certaines attaques par canaux cachés tout en étant performantes en matériel, tant au niveau de la vitesse d'exécution que de la surface utilisée. Dans ECC, nous cherchons à protéger la clé secrète, un grand entier, utilisé lors de la multiplication scalaire. Pour nous protéger contre des attaques par observation, nous avons utilisé certaines représentations des nombres et des algorithmes de calcul pour rendre difficiles certaines attaques ; comme par exemple rendre aléatoires certaines représentations des nombres manipulés, en recodant certaines valeurs internes, tout en garantissant que les valeurs calculées soient correctes. Ainsi, l'utilisation de la représentation en chiffres signés, du système de base double (DBNS) et multiple (MBNS) ont été étudiés. Toutes les techniques de recodage ont été validées théoriquement, simulées intensivement en logiciel, et enfin implantées en matériel (FPGA et ASIC). Une attaque par canaux cachés de type template a de plus été réalisée pour évaluer la robustesse d'un cryptosystème utilisant certaines de nos solutions. Enfin, une étude au niveau matériel a été menée dans le but de fournir à un cryptosystème ECC un comportement régulier des opérations effectuées lors de la multiplication scalaire afin de se protéger contre certaines attaques par observation. / This PhD thesis focuses on the study, the hardware design, the theoretical and practical validation, and eventually the comparison of different arithmetic operators for cryptosystems based on elliptic curves (ECC). Provided solutions must be robust against some side-channel attacks, and efficient at a hardware level (execution speed and area). In the case of ECC, we want to protect the secret key, a large integer, used in the scalar multiplication. Our protection methods use representations of numbers, and behaviour of algorithms to make more difficult some attacks. For instance, we randomly change some representations of manipulated numbers while ensuring that computed values are correct. Redundant representations like signed-digit representation, the double- (DBNS) and multi-base number system (MBNS) have been studied. A proposed method provides an on-the-fly MBNS recoding which operates in parallel to curve-level operations and at very high speed. All recoding techniques have been theoretically validated, simulated extensively in software, and finally implemented in hardware (FPGA and ASIC). A side-channel attack called template attack is also carried out to evaluate the robustness of a cryptosystem using a redundant number representation. Eventually, a study is conducted at the hardware level to provide an ECC cryptosystem with a regular behaviour of computed operations during the scalar multiplication so as to protect against some side-channel attacks.

Cette thèse aborde la conception et les contremesures permettant d'améliorer le calcul cryptographique matériel léger. Parce que la cryptographie (et la cryptanalyse) sont de nos jours de plus en plus omniprésentes dans notre vie quotidienne, il est crucial que les nouveaux systèmes développés soient suffisamment robustes pour faire face à la quantité croissante de données de traitement sans compromettre la sécurité globale. Ce travail aborde de nombreux sujets liés aux implémentations cryptographiques légères. Les principales contributions de cette thèse sont : - Un nouveau système d'accélération matérielle cryptographique appliqué aux codes BCH ; - Réduction de la consommation des systèmes embarqués et SoCs ; - Contre-mesures légères des attaques par canal auxiliaire applicables à l'algorithme de chiffrement reconfigurable AES ;- CSAC : Un pare-feu sécurisé sur la puce cryptographique ; - Attaques par analyse fréquentielle ; - Un nouveau protocole à divulgation nulle de connaissance appliquée aux réseaux de capteurs sans fil ; - OMD : Un nouveau schéma de chiffrement authentifié. / This thesis addresses lightweight hardware design and countermeasures to improve cryptographic computation. Because cryptography (and cryptanalysis) is nowadays becoming more and more ubiquitous in our daily lives, it is crucial that newly developed systems are robust enough to deal with the increasing amount of processing data without compromising the overall security. This work addresses many different topics related to lightweight cryptographic implementations. The main contributions of this thesis are: - A new cryptographic hardware acceleration scheme applied to BCH codes; - Hardware power minimization applied to SoCs and embedded devices; - Timing and DPA lightweight countermeasures applied to the reconfigurable AES block cipher; - CSAC: A cryptographically secure on-chip firewall; - Frequency analysis attack experiments; - A new zero-knowledge zero-knowledge protocol applied to wireless sensor networks; - OMD: A new authenticated encryption scheme.

Le premier protocole cryptographique basé sur les codes correcteurs d'erreurs a été proposé en 1978 par Robert McEliece. La cryptographie basée sur les codes est dite post-quantique car il n'existe pas à l'heure actuelle d'algorithme capable d'attaquer ce type de protocoles en temps polynomial, même en utilisant un ordinateur quantique, contrairement aux protocoles basés sur des problèmes de théorie des nombres. Toutefois, la sécurité du cryptosystème de McEliece ne repose pas uniquement sur des problèmes mathématiques. L'implantation, logicielle ou matérielle, a également un rôle très important pour sa sécurité et l'étude de celle-ci face aux attaques par canaux auxiliaires/cachés n'a débuté qu'en 2008. Des améliorations sont encore possibles. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles attaques sur le déchiffrement du cryptosystème de McEliece, utilisé avec les codes de Goppa classiques, ainsi que des contre-mesures correspondantes. Les attaques proposées sont des analyses de temps d'exécution ou de consommation d'énergie. Les contre-mesures associées reposent sur des propriétés mathématiques et algorithmiques. Nous montrons qu'il est essentiel de sécuriser l'algorithme de déchiffrement en le considérant dans son ensemble et non pas seulement étape par étape / The first cryptographic protocol based on error-correcting codes was proposed in 1978 by Robert McEliece. Cryptography based on codes is called post-quantum because until now, no algorithm able to attack this kind of protocols in polynomial time, even using a quantum computer, has been proposed. This is in contrast with protocols based on number theory problems like factorization of large numbers, for which efficient Shor's algorithm can be used on quantum computers. Nevertheless, the McEliece cryptosystem security is based not only on mathematical problems. Implementation (in software or hardware) is also very important for its security. Study of side-channel attacks against the McEliece cryptosystem have begun in 2008. Improvements can still be done. In this thesis, we propose new attacks against decryption in the McEliece cryptosystem, used with classical Goppa codes, including corresponding countermeasures. Proposed attacks are based on evaluation of execution time of the algorithm or its power consumption analysis. Associate countermeasures are based on mathematical and algorithmic properties of the underlying algorithm. We show that it is necessary to secure the decryption algorithm by considering it as a whole and not only step by step