La dernière génération de cartes à puce permet le téléchargement d'applications après leur mise en circulation. Outre les problèmes de sécurité que cela implique, cette capacité d'extension applicative reste encore aujourd'hui bridée par un espace de stockage adressable restreint. La thèse défendue dans ce mémoire est qu'il est possible d'exécuter efficacement des applications stockées dans la mémoire non-adressable des cartes à puce, disponible en plus grande quantité, et ce, malgré ses temps de latences très longs, donc peu favorables a priori à l'exécution de code. Notre travail consiste d'abord à étudier les forces et faiblesses de la principale réponse proposée par l'état de l'art qu'est un cache. Cependant, dans notre contexte, il ne peut être implémenté qu'en logiciel, avec alors une latence supplémentaire. De plus, ce cache doit respecter les contraintes mémoires des cartes à puce et doit donc avoir une empreinte mémoire faible. Nous montrons comment et pourquoi ces deux contraintes réduisent fortement les performances d'un cache, qui devient alors une réponse insuffisante pour la résolution de notre challenge. Nous appliquons notre démonstration aux caches de code natif, puis de code et méta-données Java et JavaCard2. Fort de ces constats, nous proposons puis validons une solution reposant sur une pré-interprétation de code, dont le but est à la fois de détecter précocement les données manquantes en cache pour les charger à l'avance et en parallèle, mais aussi grouper des accès au cache et réduire ainsi l'impact de son temps de latence logiciel, démontré comme son principal coût. Le tout produit alors une solution efficace, passant l'échelle des cartes à puce. / The latest generation of smart cards allows to download applications after they are released. In addition to new security issues, this ability still remains constrained by a limited addressable storage space. The claim of our thesis is that it is possible to efficiently execute applications stored in the non-addressable memory of smart cards, available in larger quantities, and, despite its very long latency. Our work is first a study of the strengths and weaknesses of the main solution provided by the state of the art : caching. However, in our context, it can be implemented only in software,then with an additional latency. In addition, the cache must comply with memory constraints of smart cards and must then have on a low memory footprint. We show how and why these two constraints greatly reduce the performance of a cache, that finally becomes inadequate to fully tackle our challenge. We apply our demonstration to native instructions caches, then to Java/JavaCard2 instructions and metadata caches. Based on our observations, we propose and validate a solution based on a code pre-interpretation, whose purpose is to early detect of missing data in the cache to fetch them in advance, then to group accesses to the cache in order to reduce the impact of its software latency, that we demonstrate to be its main cost. Our result is an effective solution, that fits smart cards size and constraints.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε τις έξυπνες κάρτες καθώς και τις τεχνολογίες που σχετίζονται με αυτές. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην τεχνολογία Java Card την οποία άλλωστε χρησιμοποιούμε για την ανάπτυξη μιας πιλοτικής εφαρμογής έξυπνης κάρτας ασθενούς. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφερόμαστε γενικά στις έξυπνες κάρτες. Πραγματοποιούμε μια σύντομη ιστορική αναδρομή και μελετάμε τους τομείς εκείνους στους οποίους βρίσκουν εφαρμογή, παρουσιάζοντας έτσι μερικά από τα πλεονεκτήματα τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφερόμαστε στην αρχιτεκτονική και στο υλικό των έξυπνων καρτών. Αφού παρουσιάσουμε τα διαφορετικά είδη καρτών που υπάρχουν αναφερόμαστε σε κάθε σύστημα υλικού μίας έξυπνης κάρτας όπως για παράδειγμα στον επεξεργαστή, στην μνήμη κ.α. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάμε το λογισμικό των έξυπνων καρτών. Αναφερόμαστε στον τρόπο επικοινωνίας με την κάρτα, στα υπάρχοντα λειτουργικά συστήματα για έξυπνες κάρτες καθώς και στα πρότυπα που έχουν κυριαρχήσει. Κλείνοντας το κεφάλαιο πραγματοποιούμε μια σύντομη εισαγωγή στην κρυπτογραφία. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφερόμαστε λεπτομερώς στην τεχνολογία Java Card. Μελετάμε τόσο την αρχιτεκτονική όσο και τα συστατικά της τεχνολογίας αυτής όπως είναι η εικονική μηχανή και το περιβάλλον εκτέλεσης. Αναφερόμαστε ακόμα σε διάφορα θέματα συναφή με την τεχνολογία αυτή. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο ασχολούμαστε με την υλοποίηση μιας πιλοτικής εφαρμογής έξυπνης κάρτας ασθενούς. Αφού περιγράψουμε τις λειτουργικές και τις τεχνικές προδιαγραφές αναφερόμαστε σε θέματα σχεδιασμού της εφαρμογής και τέλος δείχνουμε αναλυτικά τον τρόπο λειτουργίας της. / In the present diploma thesis we study the smart cards in addition to the technologies that are related with them. Particular accent is given in the Java Card technology which we use in order to develop a demo application of a patient’s smart card. In the first chapter we set out general characteristics of smart cards. We make a short historical retrospection and we study some particular fields in which they are applicable, presenting their advantages. In the second chapter we refer to the architecture and hardware of smart cards. After we present the variety of the existing smart cards we overhaul the hardware of smart cards, for example CPU, memory etc. In the third chapter we examine the software of smart cards. We set out the way of communication with the card, in the existing operating systems for smart cards as well as in the models that have dominated. Closing the chapter we make a short reference in smart card’s cryptography. In the fourth chapter we make a more detailed reference to Java Card technology. We study the architecture and the components of this technology which are the virtual machine and the executing environment. We also refer to various subjects relevant with this technology. In the fifth and last chapter we deal with the development of a demo application. It is a smart card that is used widely in many hospitals around the world. It is used by these hospitals’ patients. After we show the functional and technical specifications we refer to designing issues of this application and finally we demonstrate their way of operation.

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.

De nos jours, la carte à puce est la pierre angulaire de nos usages quotidiens. En effet, elle est indispensable pour retirer de l'argent, voyager, téléphoner, ... Pour améliorer la sécurité tout en bénéficiant d'un environnement de développement facilité, la technologie Java a été adaptée pour être embarquée dans les cartes à puce. Présentée durant le milieu des années 90, cette technologie est devenue la plate-forme principale d'exécution d'applications sécurisées. De part leurs usages, ces applications contiennent des informations sensibles pouvant intéresser des personnes mal intentionnées.Dans le monde de la carte à puce, les concepteurs d'attaques et de contre-mesures se livrent une guerre sans fin. Afin d'avoir une vue générique de toutes les attaques possibles, nous proposons d'utiliser les arbres de fautes. Cette approche, inspirée de l'analyse de sûreté, aide à comprendre et à implémenter tous les événements désirables et non désirables existants. Nous appliquons cette méthode pour l'analyse de vulnérabilité Java Card. Pour cela, nous définissons des propriétés qui devront être garanties: l'intégrité et la confidentialité des données et du code contenus dans la carte à puce. Dans cette thèse, nous nous sommes focalisés sur l'intégrité du code des applications. En effet, une perturbation de cet élément peut corrompre les autres propriétés. En modélisant les conditions, nous avons découvert de nouveaux chemins d'attaques permettant d'accéder au contenu de la carte. Pour empêcher ces nouvelles attaques, nous présentons de nouvelles contre-mesures pour prévenir les éléments indésirables définis dans les arbres de fautes. / Smart cards are the keystone of various applications which we daily use: pay money for travel, phone, etc. To improve the security of this device with a friendly development environment, the Java technology has been designed to be embedded in a smart card. Introduce in the mid-nineties, this technology becomes nowadays the leading application platform in the world. As a smart card embeds critical information, evil-minded people are interested to attack this device. In smart card domain, attacks and countermeasures are advancing at a fast rate. In order to have a generic view of all the attacks, we propose to use the Fault Tree Analysis. This method used in safety analysis helps to understand and implement all the desirable and undesirable events existing in this domain. We apply this method to Java Card vulnerability analysis. We define the properties that must be ensured: integrity and confidentiality of smart card data and code. During this thesis, we focused on the integrity property, especially on the code integrity. Indeed, a perturbation on this element can break each other properties. By modelling the conditions, we discovered new attack paths to get access to the smart card contents. We introduce new countermeasures to mitigate the undesirable events defined in the tree models.

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.

The goal of the first part of the thesis is to describe the options of wide usage of chip cards in different segments of our life. Consequently it is necessary to mention hardware and software equipment of smart card, its communication with terminal and data security. In this thesis we focus on Java Card environment in which we will try to create two applications, one for electronic purse and the second for user identification. Basically, we need to mention multiapplicational rules of sharing data and objects. At the end of the thesis we are focusing on the possibility of mutual interference between the applications and on protection against attacks. Also future applications of this technology are described.

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

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.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:47:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PlacidoASN.pdf: 652214 bytes, checksum: b7912104bf8e3ec91262c75b9ef5d36b (MD5) Previous issue date: 2007-09-06 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Formal methods should be used to specify and verify on-card software in Java Card applications. Furthermore, Java Card programming style requires runtime verification of all input conditions for all on-card methods, where the main goal is to preserve the data in the card. Design by contract, and in particular, the JML language, are an option for this kind of development and verification, as runtime verification is part of the Design by contract method implemented by JML. However, JML and its currently available tools for runtime verification were not designed with Java Card limitations in mind and are not Java Card compliant. In this thesis, we analyze how much of this situation is really intrinsic of Java Card limitations and how much is just a matter of a complete re-design of JML and its tools. We propose the requirements for a new language which is Java Card compliant and indicate the lines on which a compiler for this language should be built. JCML strips from JML non-Java Card aspects such as concurrency and unsupported types. This would not be enough, however, without a great effort in optimization of the verification code generated by its compiler, as this verification code must run on the card. The JCML compiler, although being much more restricted than the one for JML, is able to generate Java Card compliant verification code for some lightweight specifications. As conclusion, we present a Java Card compliant variant of JML, JCML (Java Card Modeling Language), with a preliminary version of its compiler / M?todos formais poderiam ser usados para especificar e verificar software on-card em aplica??es Java Card. O estilo de programa??o para smart cards requer verifica??o em tempo de execu??o para condi??es de entrada em todos os m?todos Java Card, onde o objetivo principal ? preservar os dados do cart?o. Projeto por Contrato, em particular, a linguagem JML, ? uma op??o para este tipo de desenvolvimento e verifica??o, pelo fato da verifica??o em tempo de execu??o ser parte da implementa??o pela JML. Contudo, JML e suas respectivas ferramentas para verifica??o em tempo de execu??o n?o foram projetadas com o foco nas limita??es Java Card, sendo, dessa forma, n?o compat?veis com Java Card. Nesta disserta??o, analisamos o quanto esta situa??o ? realmente intr?nseca ?s limita??es Java Card e, se ? poss?vel re-definir a JML e suas ferramentas. Propomos requisitos para uma nova linguagem, a qual ? compat?vel com Java Card e apresentamos como o compilador desta linguagem pode ser constru?do. JCML retira da JML aspectos n?o definidos em Java Card, como por exemplo, concorr?ncia e tipos n?o suportados. Isto pode n?o ser o bastante, contudo, sem o esfor?o em otimiza??o de c?digo de verifica??o gerado pelo compilador, n?o ? poss?vel gerar c?digo de verifica??o para rodar no cart?o. O compilador JCML, apesar de ser bem mais restrito em rela??o ao compilador JML, est? habilitado a gerar c?digo de verifica??o compat?vel com Java Card, para algumas especifica??es lightweight. Como conclus?o, apresentamos uma variante da JML compat?vel com Java Card, JCML (Java Card Modeling Language), com uma vers?o de seu compilador

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:47:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BrunoEGG.pdf: 1320681 bytes, checksum: 897ca75ef7f0e564e8588d949fcc67d5 (MD5) Previous issue date: 2007-11-19 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Java Card technology allows the development and execution of small applications embedded in smart cards. A Java Card application is composed of an external card client and of an application in the card that implements the services available to the client by means of an Application Programming Interface (API). Usually, these applications manipulate and store important information, such as cash and confidential data of their owners. Thus, it is necessary to adopt rigor on developing a smart card application to improve its quality and trustworthiness. The use of formal methods on the development of these applications is a way to reach these quality requirements. The B method is one of the many formal methods for system specification. The development in B starts with the functional specification of the system, continues with the application of some optional refinements to the specification and, from the last level of refinement, it is possible to generate code for some programming language. The B formalism has a good tool support and its application to Java Card is adequate since the specification and development of APIs is one of the major applications of B. The BSmart method proposed here aims to promote the rigorous development of Java Card applications up to the generation of its code, based on the refinement of its formal specification described in the B notation. This development is supported by the BSmart tool, that is composed of some programs that automate each stage of the method; and by a library of B modules and Java Card classes that model primitive types, essential Java Card API classes and reusable data structures / A tecnologia Java Card permite o desenvolvimento e execu??o de pequenas aplica??es embutidas em smart cards. Uma aplica??o Java Card ? composta por um cliente, externo ao cart?o, e por uma aplica??o contida no cart?o que implementa os servi?os dispon?veis ao cliente por meio de uma Application Programming Interface (API). Usualmente, essas aplica??es manipulam e armazenam informa??es importantes, tais como valores monet?rios ou dados confidenciais do seu portador. Sendo assim, faz-se necess?rio adotar um maior rigor no processo de desenvolvimento de uma aplica??o smart card, visando melhorar a sua qualidade e confiabilidade. O emprego de m?todos formais como parte desse processo ? um meio de se alcan?ar esses requisitos de qualidade. O m?todo formal B ?e um dentre os diversos m?todos formais para a especifica??o de sistemas. O desenvolvimento em B tem in?cio com a especifica??o funcional do sistema, continua com a aplica??o opcional de refinamentos ? especifica??o e, a partir do ?ltimo n?vel de refinamento, ? poss?vel a gera??o de c?digo para alguma linguagem de programa??o. O formalismo B conta com bom suporte de ferramentas e a sua aplica??o a Java Card mostra-se bastante adequada, uma vez que a especifica??o e desenvolvimento de APIs ?e o ponto forte de B. O m?todo BSmart aqui proposto visa promover o desenvolvimento rigoroso de aplica??es Java Card a partir da gera??o de c?digo da aplica??o com base em refinamentos da sua especifica??o formal descrita na nota??o B. O processo de desenvolvimento descrito no m?todo ? apoiado pela ferramenta BSmart, a qual constitui-se por alguns programas que automatizam cada etapa do m?todo; e por uma biblioteca de m?dulos B e classes Java Card que modelam tipos primitivos, classes essenciais da API Java Card e estruturas de dados reutiliz?veis