Implémentations sécurisées de chiffrement par bloc contre les attaques physiques

Secure implementation of block ciphers against physical attacks

• Auteur / Autrice : Dahmun Goudarzi
• Direction : Damien Vergnaud, Matthieu Rivain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/09/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Département d'informatique
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : David Pointcheval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Vergnaud, Matthieu Rivain, David Pointcheval, Pierre-Alain Fouque, Peter Schwabe, Anne Canteaut, Helena Handschuh, Guénaël Renault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Alain Fouque, Peter Schwabe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique

Mots clés libres

Cryptographie

Attaque par canaux auxiliaires

Implémentations efficaces

Contremesures

Sécurité prouvée

Assembleur

Cryptographie

Side channels attacks

Efficient implementation

Countermeasures

Provable security

Assembly

Résumé

Depuis leur introduction à la fin des années 1990, les attaques par canaux auxiliaires sont considérées comme une menace majeure contre les implémentations cryptographiques. Parmi les stratégies de protection existantes, une des plus utilisées est le masquage d’ordre supérieur. Elle consiste à séparer chaque variable interne du calcul cryptographique en plusieurs variables aléatoires. Néanmoins, l’utilisation de cette protection entraîne des pertes d’efficacité considérables, la rendant souvent impraticable pour des produits industriels. Cette thèse a pour objectif de réduire l’écart entre les solutions théoriques, prouvées sûres, et les implémentations efficaces déployables sur des systèmes embarqués. Plus particulièrement, nous nous intéressons à la protection de chiffrement par bloc tel que l’AES, dont l’enjeu principal revient à protéger les boîtes-s avec un surcoût minimal. Nous essayons d’abord de trouver des représentations mathématiques optimales pour l’évaluation des boîtes-s en minimisant le nombre de multiplications (un paramètre déterminant pour l’efficacité du masquage, mais aussi pour le chiffrement homomorphe). Pour cela, nous définissons une méthode générique pour décomposer n’importe quelle fonction sur un corps fini avec une complexité multiplicative faible. Ces représentations peuvent alors être évaluées efficacement avec du masquage d’ordre supérieur. La flexibilité de la méthode de décomposition permet également de l’ajuster facilement selon les nécessités du développeur. Nous proposons ensuite une méthode formelle pour déterminer la sécurité d’un circuit évaluant des schémas de masquages. Cette technique permet notamment de déterminer de manière exacte si une attaque est possible sur un circuit protégé ou non. Par rapport aux autres outils existants, son temps de réponse n’explose pas en la taille du circuit, ce qui permet d’obtenir une preuve de sécurité quelque soit l’ordre de masquage employé. De plus, elle permet de diminuer de manière stricte l’emploi d’outils coûteux en aléas, requis pour renforcer la sécurité des opérations de masquages. Enfin, nous présentons des résultats d’implémentation en proposant des optimisations tant sur le plan algorithmique que sur celui de la programmation. Nous utilisons notamment une stratégie d’implémentation bitslice pour évaluer les boîtes-s en parallèle. Cette stratégie nous permet d’atteindre des records de rapidité pour des implémentations d’ordres élevés. Les différents codes sont développés et optimisés en assembleur ARM, un des langages les plus répandus dans les systèmes embarqués tels que les cartes à puces et les téléphones mobiles. Ces implémentations sont, en outre, disponibles en ligne pour une utilisation publique.

Since their introduction at the end of the 1990s, side-channel attacks are considered to be a major threat against cryptographic implementations. Higher-order masking is considered to be one the most popular existing protection strategies. It consists in separating each internal variable in the cryptographic computation into several random variables. However, the use of this type of protection entails a considerable efficiency loss, making it unusable for industrial solutions. The goal of this thesis is to reduce the gap between theoretical solutions, proven secure, and efficient implementations that can be deployed on embedded systems. More precisely, I am analysing the protection of block ciphers such as the AES encryption scheme, where the main issue is to protect the s-boxes with minimal overhead in costs. I have tried, first, to find optimal mathematical representations in order to evaluate the s-boxes while minimizing the number of multiplications (a decisive parameter for masking schemes, but also for homomorphic encryption). For this purpose, I have defined a generic method to decompose any function on any finite field with a low multiplicative complexity. These representations can, then, be efficiently evaluated with higher-order masking. The flexibility of the decomposition technique allows also easy adjusting to the developer’s needs. Secondly, I have proposed a formal method for measuring the security of circuits evaluating masking schemes. This technique allows to define with exact precision whether an attack on a protected circuit is feasible or not. Unlike other tools, its response time is not exponential in the circuit size, making it possible to obtain a security proof regardless of the masking order used. Furthermore, this method can strictly reduce the use of costly tools in randomness required for reinforcing the security of masking operations. Finally, we present the implementation results with optimizations both on algorithmic and programming fronts. We particularly employ a bitslice implementation strategy for evaluating the s-boxes in parallel. This strategy leads to speed record for implementations protected at high order. The different codes are developed and optimized under ARM assembly, one of the most popular programming language in embedded systems such as smart cards and mobile phones. These implementations are also available online for public use.