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.

As wireless communication becomes an ever-more important and pervasive part of our everyday life, system capacity and quality of service issues are becoming more critical. In order to increase the system capacity and improve the quality of service, it is necessary that we pay closer attention to bandwidth and power efficiency issues. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a multicarrier modulation technique for high speed data transmission and is generally regarded as bandwidth efficient. However, OFDM signals suffer from high peak-to-average power ratios (PARs) which lead to power inefficiency in the RF portion of the transmitter. Moreover, in OFDM, the well-known pilot tone assisted modulation (PTAM) technique utilizes a number of dedicated training pilots to acquire the channel state information (CSI), resulting in somewhat reduced bandwidth efficiency. In this dissertation, we will address the above mentioned bandwidth and power efficiency issues in wireless transmissions. To avoid bandwidth efficiency loss due to dedicated training, we will first develop a superimposed training framework that can be used to track the frequency selective as well as the Doppler shift characteristics of a channel. Later on, we will propose a generalized superimposed training framework that allows improved channel estimates. To improve the power efficiency, we adopt the selected mapping (SLM) framework to reduce the PARs for both OFDM and forward link Code Division Multiple Access (CDMA). We first propose a dynamic SLM algorithm to greatly reduce the computational requirement of SLM without sacrificing its PAR reducing capability. We propose a number of blind SLM techniques for OFDM and for forward link CDMA; they require no side information and are easy to implement. Our proposed blind SLM technique for OFDM is a novel joint channel estimation and PAR reduction algorithm, for which bandwidth efficiency power efficiency - complexity - bit error rate tradeoffs are carefully considered.

Discourse has the power to organize thought—and therefore, to limit imagination. The purpose of this project is to trace the contours of climate change discourse constructed by transnational fossil fuel corporations, to make visible the ideological barriers it creates to imagining post-capitalist alternatives. It is undertaken in the context of a well-established urgency for global collaboration to halt, mitigate, and adapt to the social, economic, and ecological impacts of climate change, and takes as its point of departure the fundamental link between ecological degradation and the capitalist mode of production (with its accompanying imperatives of accumulation and profit), as well as the necessity of counter-hegemonic praxis to pursuing system-transformative change on the scale required for humanity to negotiate the looming crisis in a just and ecologically viable way. Conceptualizing popular media as a discursive battleground in which the voices of corporations (through the evolving mediums of advertisement) are privileged, I employ critical discourse analysis to explore the framing of climate change messages by five major transnational oil and gas corporations, toward developing an analytical framework for the burgeoning climate change movement grounded at the intersection of global corporate capitalism and ecological degradation. Climate change messages included images, videos, and narratives intended for public consumption which spoke to the source, resolution, and/or future of human-induced and climate-related ecological problems. These were drawn from corporate websites, blogs, Facebook and Twitter feeds, and YouTube channels over the course of 2016. As action research, I have undertaken this project with the explicit aim of empowering climate movements – of which I count myself a part – to imagine alternative futures. To contribute to this aim, I have created a media literacy toolkit that links corporate climate change messages with the interests they represent to make visible the dynamics of power that mobilize those interests. / Graduate

Cette thèse se situe dans la cryptanalyse physique des algorithmes de chiffrement par blocs. Un algorithme cryptographique est conçu pour être mathématiquement robuste. Cependant, une fois implémenté dans un circuit, il est possible d'attaquer les failles de ce dernier. Par opposition à la cryptanalyse classique, on parle alors d'attaques physiques. Celles-ci ne permettent pas d'attaquer l'algorithme en soi, mais son implémentation matérielle. Il existe deux grandes familles d'attaques physiques différentes : les attaques par observation du circuit durant le chiffrement, et les attaques par injections de fautes, qui analysent l'effet d'une perturbation intentionnelle sur le fonctionnement du circuit. Les attaques physiques ont deux types d'objectifs : rechercher la clé ou faire de la rétro-conception (retrouver une partie d'un algorithme de chiffrement privé, ex : s-boxes modifiées). Bien que leurs principes semblent distincts, cette thèse présente un formalisme qui permet d'unifier toutes ces attaques. L'idée est de décrire les attaques physiques de façon similaire, afin de pouvoir les comparer. De plus, ce formalisme a permis de mettre en évidence de nouvelles attaques. Des travaux novateurs ayant pour objet de retrouver la clé de chiffrement d'un AES, uniquement avec la consommation de courant ont été menés. Une nouvelle attaque de type FIRE (Fault Injection for Reverse Engineering) pour retrouver les s-boxes d'un pseudo DES est également présentée dans la thèse. Ce travail a abouti sur une réflexion plus générale, sur les attaques par injections de fautes dans les schémas de Feistel classiques et généralisés. / The main subject of this work is the physical cryptanalysis of blocks ciphers. Even if cryptographic algorithms are properly designed mathematically, they may be vulnerable to physical attacks. Physical attacks are mainly divided in two families: the side channel attacks which are based on the observation of the circuit behaviour during the computation, and the fault injection attacks which consist in disturbing the computation in order to alter the correct progress of the algorithm. These attacks are used to target the cipher key or to reverse engineer the algorithm. A formalism is proposed in order to describe the two families in a unified way. Unifying the different attacks under a same formalism allows to deal with them with common mathematical tools. Additionally, it allows a comparison between different attacks. Using this framework, a generic method to assess the vulnerabilities of generalized Feistel networks to differential fault analysis is presented. This work is furthermore extended to improve a FIRE attack on DES-like cryptosystems with customized s-boxes.

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.

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In response to the threat of a future, large-scale, quantum computer, the American National Institute of Standards and Technology (NIST) initiated a competition for designs of quantum-resistant cryptographic primitives. In 2022, the lattice-based Module-Learning With Errors (M-LWE) scheme Kyber emerged as the winner to be standardized. The standardization procedure and development of secure implementations call for thorough evaluation and research. One of the main threats to implementations of cryptographic algorithms today is Side-Channel Analysis (SCA), which is the topic of this thesis. Previous work has presented successful power-based attacks on implementations of lattice cryptography protected by masking and even masking combined with shuffling. Shuffling makes SCA harder as the order of independent instructions is randomized, reducing the correlation between operations and power consumption. This randomization is commonly implemented by shuffling the order of the indexes used to iterate over a loop, using the modern Fisher-Yates algorithm. This work describes a new attack that defeats the shuffling countermeasure by first attacking the generation of the index permutation itself. The attack first recovers the positions of the first and last indexes, 0 and 255, and then rotates the encrypted messages using a ciphertext malleability applicable to many ring-based LWE schemes to shift two bits into the known positions from which they can be recovered. This procedure is repeated to recover full messages in 128 rotations. The attack is tested and evaluated on masked and shuffled implementations of Kyber as well as Saber, another similar finalist of the NIST competition which is based on the Module-Learning With Rounding (M-LWR) problem. Compared to the previous attack on masked and shuffled Saber, which required 61,680 traces, the 4,608 needed for this attack demonstrates a 13-fold improvement. / Som svar på hotet från en framtida, storskalig kvantdator initierade amerikanska National Institute of Standards and Technology (NIST) en tävling för design av kvantsäker kryptografi. Den gitter-baserade Module-Learning With Errors algoritmen Kyber valdes 2022 till vinnare och därmed till att standardiseras. Standardiseringsprocessen och utvecklingen av säkra implementationer manar till utvärderingar och forskning. Ett av de primära hoten mot implementationer av kryptografiska algoritmer är sidokanalsanalys, vilket är fokus i detta arbete. Tidigare attacker har genom effektanalys demonsterat lyckade attacker på implementationer av gitter-baserade algoritmer skyddade genom maskering samt maskering och slumpad ordning av operationer. Slumpad ordning av oberoende operationer gör sidokanalsanalys svårare då korrelationen till effektförbrukningen minskar. Denna slumpordning brukar vanligtiv implementeras genom att slumpmässigt permutera, med den moderna implementationen av Fisher-Yates, de index som används i en kodslinga. I detta arbete presenteras en ny attack som till först extraherar positionen av det första och det sista indexen, 0 och 255, innan de två motsvarande meddelandebitarna extraheras. Bitarna i meddelandet roteras till de kända positionerna med en metod för skiffertextmanipulation som är vanlig bland ring-baserade LWE-designer. Denna process upprepas 128 gånger för att få fram hela meddelandet. Attacken has testats och utvärderats på implementationer, skyddade genom maskering kombinerad med slumpad operationsordning, av både Kyber och en liknande NIST-finalist, Saber. Jämfört med den tidigare attacken på Saber med samma skyddsåtgärder minskar den nya metoden det antal mätningar som krävs från 61,608 till 4,608, vilket motsvarar en 13-falding förbättring.

With FinFET based Application Specific Integrated Circuit (ASIC) designs delivering on the promises of scalability, performance, and power, the road ahead is bumpy with technical challenges in building efficient ASICs. Designers can no longer rely on the ‘auto-scaling’ power reduction that follows technology node scaling, in these times when 7nm presents itself as a ‘long-lived’ node. This leads to the need for early power analysis and reduction flows that are incorporated into the ASIC Intellectual Property (IP) design flow. This leads to a focus on power-efficient design in addition to being functionally efficient. Power inefficiency related hotspots are the leading causes of chip re-spins, and a guideline methodology to design blocks in a power-efficient manner leads to a power-efficient design of the Integrated Circuits (ICs). This alleviates the intensity of cooling requirements and the cost. The Common Memory controller is one of the leading consumers of power in the ASIC designs at Ericsson. This Thesis focusses on developing a power analysis and reduction flow for the common memory controller by connecting the verification environment of the block to low-level power analysis tools, using motivated test cases to collect power metrics, thereby leading to two main goals of the Thesis, characterization and optimization of the block for power. This work also includes an energy efficiency perspective through the Differential Energy Analysis technique, initiated by Qualcomm and Ansys, to improve the flow by improving the test cases that help uncover power inefficiencies/bugs and therefore optimize the block. The flow developed in the Thesis fulfills the goals of characterizing and optimizing the block. The characterization data is presented to provide an idea of the type of data that can be collected and useful for SoC architects and designers in planning for future designs. The characterization/profiling data collected from the blocks collectively contribute to the Electronic System-level power analysis that helps correlate the ASIC power estimate to silicon. The work also validates the flow by working on a specific sub-block, identifying possible power bugs, modifying the design and validating improved performance and thereby, validating the flow. / Med FinFET-baserade applikationsspecifika integrerade kretsar (ASIC) -konstruktioner som ger löften om skalbarhet, prestanda och kraft är vägen framåt ojämn med tekniska utmaningar när det gäller att bygga effektiva ASIC: er. Formgivare kan inte längre lita på den "autoskalande" effektminskningen som följer teknisk nodskalning, i dessa tider då 7nm presenterar sig som en "långlivad" nod. Detta leder till behovet av tidig kraftanalys och reduktionsflöden som är integrerade i ASIC Intellectual Property (IP) designflöde. Detta leder till fokus på energieffektiv design förutom att det är funktionellt effektivt. Krafteffektivitetsrelaterade hotspots är de ledande orsakerna till respins av chip, och en riktlinjemetodik för att konstruera block på ett energieffektivt sätt leder till energieffektiv design av Integrated Circuits (ICs). Detta lindrar intensiteten hos kylbehovet och kostnaden. Common Memory-kontrollen är en av de ledande energikonsumenterna i ASIC-designen hos Ericsson. Denna avhandling fokuserar på att utveckla en effektanalys och reduktionsflöde för den gemensamma minneskontrollern genom att ansluta verifieringsmiljön för blocket till lågnivåeffektanalysverktyg, med hjälp av motiverade test caser för att samla effektmätvärden, vilket leder till två huvudmål för avhandlingen, karakterisering och optimering av blocket för kraft. Detta arbete inkluderar också energieffektivitetsperspektiv genom Differential Energy Analys-teknik, initierad av Qualcomm och Ansys, för att förbättra flödet genom att förbättra test cases som hjälper till att upptäcka effekteffektivitet / buggar och därför optimera blocket. Flödet som utvecklats i avhandlingen uppfyller målen att karakterisera och optimera blocket. Karaktäriseringsdata presenteras för att ge en uppfattning om vilken typ av data som kan samlas in och vara användbara för SoC-arkitekter och designers i planering för framtida mönster. Karaktäriserings/ profileringsdata som samlats in från blocken bidrar tillsammans till effektanalysen för elektronisk systemnivå som hjälper till att korrelera ASIC-effektberäkningen till kisel. Arbetet validerar också flödet genom att arbeta på ett specifikt underblock, identifiera möjliga effektbuggar, modifiera utforma och validera förbättrad prestanda och därmed validera flödet.

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

Les applications grand public comme la téléphonie mobile ou les cartes bancaires manipulent des données confidentielles. A ce titre, les circuits qui les composent font de plus en plus l'objet d'attaques qui présentent des menaces pour la sécurité des données. Les concepteurs de systèmes sur puce (SoC) doivent donc proposer des solutions sécurisées, tout en limitant le coût et la complexité globale des applications. L’analyse des attaques existantes sur les circuits numériques nous a orienté vers celles se basant sur la tension d'alimentation, dans des nœuds technologiques avancés.Dans un premier temps, nous avons déterminé la signature électrique d’un circuit en phase de conception. Pour cela, un modèle électrique a été proposé, prenant en compte la consommation en courant et la capacité de la grille d'alimentation. L'extraction de ces paramètres ainsi que l'évaluation du modèle sont présentées. L’utilisation de ce modèle a permis de mesurer la vulnérabilité d’un circuit mais aussi d’évaluer quantitativement des contremesures, notamment celle utilisant des capacités de découplage. Ensuite, l’étude se consacre à l’injection de fautes par impulsions de tension d’alimentation. Les mécanismes d’injection de fautes sur des circuits numériques ont été étudiés. Dès lors, des solutions de détection d’attaques ont été proposées et évaluées à la fois en simulation et par des tests électriques sur circuit. Les résultats ont permis de confirmer les analyses théoriques et la méthodologie utilisée.Ce travail a ainsi montré la faisabilité de solutions à bas coût contre les attaques actives et passives en tension, utilisables dans le cadre d’un développement industriel de produits. / General use products as mobile phones or smartcards manipulate confidential data. As such, the circuits composing them are more and more prone to physical attacks, which involve a threat for their security. As a result, SoC designers have to develop efficient countermeasures without increasing overall cost and complexity of the final application. The analysis of existing attacks on digital circuits leads to consider power attacks, in advanced technology nodes.First of all, the power signature of a circuit was determined at design time. To do so, an electrical model was suggested based on the current consumption and the overall power grid capacitance. The methodology to extract these parameters, as well as the evaluation of the model are presented. This model allows designers to anticipate information leakage at design time and to quantify the protection of countermeasures, as the use of integrated decoupling capacitors. Then, the study was dedicated to power glitch attacks. The different fault injection mechanisms were analyzed in details. From then on, a set of detection circuits were suggested and evaluated at design time and on silicon by electrical tests. Both the theoretical analysis and the given methodology were confirmed by the test campaigns.This work demonstrated that the design of low-cost solutions against passive and active power attacks can be achieved, and used in a large scale product development.