Contre-mesures à bas coût contre les attaques physiques sur algorithmes cryptographiques implémentés sur FPGA Altera

par Maxime Nassar

Thèse de doctorat en Electronique et communications

Sous la direction de Jean-Luc Danger et de Sylvain Guilley.

Le président du jury était Habib Mehrez.

Le jury était composé de Jens-Peter Kaps, Victor Lomne.

Les rapporteurs étaient Elisabeth Oswald, Lionel Torres.


  • Résumé

    Les attaques en fautes (FA) et par canaux cachés (SCA), permettent de récupérer des données sensibles stockées dans des équipements cryptographiques, en exploitant une fuite d'information provenant de leur implémentation matérielle. Le but de cette thèse est donc de formuler un état de l'art des contre-mesures aux SCA adaptées aux FPGA, ainsi que d'implémenter celles qui seront retenues en minimisant les pertes de performance et de complexité. Le cas des algorithmes symétriques tel AES est spécialement étudié, révélant plusieurs faiblesses des contre-mesures habituelles (DPL et masquage) en terme de résistance et de coût. Trois nouvelles contre-mesures sont donc proposées: 1.Des stratégies de placement/routage équilibrés destinées à amélioré la résistance des DPL sur FPGA. 2.Un nouveau type de DPL appelée BCDL (Balanced Cell-based Dual-rail Logic) dont le but est de supprimer la plupart des vulnérabilités liées aux DPLs. BCDL est également résilient à la majeure partie des FA et optimisé pour les FPGA, ce qui induit des complexité et performance compétitives. 3. RSM (Rotating S-Box Masking), une nouvelle technique de masquage pour AES qui montre un haut niveau de performances et résistance pour une complexité réduite. Finalement, plusieurs nouvelles SCA sont présentées et évaluées. RC (Rank Corrector) est un algorithme permettant d'améliorer les autres SCA. La FPCA introduit un nouveau distingueur basée sur la PCA. Puis plusieurs combinaisons (distingueur et mesures) sont proposées et résultent en une diminution du nombre de trace nécessaire à l'attaque.

  • Titre traduit

    Low-cost countermeasures against physical attacks on cryptographic algorithms implemented on altera FPGAs


  • Résumé

    Side-Channel Analysis (SCA) and Fault Attacks (FA) are techniques to recover sensitive information in cryptographic systems by exploiting unintentional physical leakage, such as the power consumption. This thesis has two main goals: to draw a review of the state of the art of FPGA-compatible countermeasures against SCA and implement t the selected ones with the minimum area and performances overhead. Symmetrical algorithms, specially AES, are studied and several vulnerabilities of usual protections, namely Dual-rail with Precharge Logic (DPL) and masking are analysed, as well as the issue of performance and area overheads. In this context, three new countermeasures are considered: 1. Balance placement and routing (PAR) strategies aiming at enhancing existing DPLs robustness when implemented in modern FPGAs. 2. A new type of DPL called Balanced Cell-based Dual-railLogic (BCDL), to thwart most of the known DPL weaknesses. BCDL also possess a fault resilience mechanism and provides implementation optimisations on FPGA, achieving competitive performances and area overhead. 3. The Rotating S-Box Masking (RSM), a new masking technique for the AES that shows high leveles of robustness and performances while bringing a significant reduction of the area overhead. Finally, several new SCAs are presented and evaluated. Firstly the “Rank Corrector” a SCA enhancement algorithm. Secondly, The FPCA, introduces a novel SCA distinguisher based on the PCA. Then, combinations of either acquisition methods or SCA distinguishers are discussed and show significant decrease in the number of measurements required to perform a successful attack.


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