Study of the resistance of symmetric-key algorithms against modern cryptanalysis
Étude de la résistance des algorithmes cryptographiques symétriques face à la cryptanalyse moderne
Résumé
The goal of this thesis is to contribute to the state-of-the-art by proposing new areas of research in order to secure cryptographic algorithms within an embedded device.Our main focal axis is organized around the countermeasure called threshold implementations which is known to be resistant against side-channel analysis attacks in the presence of glitches.These latter phenomenon occur randomly within an electronic circuit and lead to numerous attacks in cryptanalysis. We study the application of threshold implementations on symmetric-key cryptography.In a first phase, we participate to the cryptographic litterature by designing new threshold implementations easily applicable on a large variety of symmetric-key algorithms. Our countermeasures are provable mathematically secured against side-channel analysis attacks in the presence of glitches. In comparison with the recent publications of the state-of-the-art, we adress new issues and we assure similar or better performances. Therefore, our research has resulted in two patents within STMicroelectronics, thereby contributing to the industrial innovation process.In a second phase, we are interested in the study of the symmetric-key algorithm SM4 and its resistance against side-channel analysis attacks. The works obtained allow to centralize the proposed SM4 countermeasures against side-channel analysis attacks of the state-of-the-art and offer a visibility on the software performances of these constructions. We finally introduce the first threshold implementation of the SM4 algorithm. Our construction is provably mathematically resistant against side-channel analysis attacks in the presence of glitches.
L’objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles pistes de recherche dans l’état de l’art afin de sécuriser les algorithmes cryptographiques au sein d’un circuit électronique. Notre axe d’étude principal s’articule autour de la contre-mesure des implémentations à seuil, résistante contre les attaques par observations en présence de glitches. Ces derniers phénomènes apparaissent dans un circuit électronique de manière aléatoire et sont à l’origine de nombreuses attaques en cryptanalyse. Nous étudions l’application des implémentations à seuil sur la cryptographie symétrique. Dans un premier temps, nous contribuons à la littérature cryptographique par la conception de nouvelles implémentations à seuil applicables sur un grand nombre d’algorithmes symétriques. Les travaux réalisés sont appuyés par des preuves mathématiques formelles et permettent de contrer les attaques physiques par observations en présence de glitches. Par ailleurs, nos recherches ont également débouché à la proposition de deux brevets au sein de l’entreprise STMicroelectronics, participant ainsi au processus d’innovation industriel. Dans un second temps, nous nous intéressons à l’étude de l’algorithme symétrique SM4 et sa résistance face à la cryptanalyse actuelle. Les travaux obtenus permettent de centraliser les différentes implémentations du SM4 sécurisées contre les attaques par observations proposées dans l’état de l’art et d’offrir une visibilité sur les performances de ces constructions. Nous contribuons également à la recherche académique par la première proposition d’une implémentation à seuil du SM4, mathématiquement résistante contre les attaques par observations en présence de glitches.
Origine : Version validée par le jury (STAR)