Conception et prototypage d'architectures robustes de tags RFID UHF

Design and prototyping of robust architectures for UHF RFID Tags

• Auteur / Autrice : Omar Abdelmalek
• Direction : Vincent Beroulle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 20/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Nacer Abouchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Hély
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Romain, Bruno Rouzeyre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux logiques programmables

Protection de l'information (informatique)

Systèmes d'identification par radiofréquence

Mots clés libres

Rfid

Fpga

Injection de fautes

Sécurite materielle

Prototypage

Robustesse materielle

Rfid

Fpga

Fault injection

Hardware security

Prototyping

Hardware robustness

Résumé

Les systèmes RFID sont de plus en plus utilisés dans des applications critiques fonctionnant dans des environnements perturbés (ferroviaire, aéronautique, chaînes de production ou agroalimentaire) ou dans des applications où la sécurité est essentielle (identification, lutte contre la contrefaçon). Pourtant, ces systèmes faibles coûts, initialement conçus pour des applications de masse non critiques, sont peu robustes par nature. Pour les applications critiques, les défaillances des puces RFID peuvent avoir des conséquences catastrophiques ou créer des failles de sécurité importantes. Ces défaillances peuvent avoir des origines nombreuses : par exemple, des origines matérielles dues au vieillissement naturel des circuits intégrés ou à des attaques (optiques, électromagnétiques, en tension). Il est donc d'usage dans les applications critiques d'accroître la robustesse des systèmes RFID par la mise en œuvre de redondance matérielle. Cependant cette redondance accroît le coût du déploiement des systèmes RFID ainsi que la complexité des protocoles et middleware associés. L'amélioration de la robustesse des tags permet de grandement limiter cette redondance. L'objectif de la thèse est d'accroitre la robustesse des tags UHF passifs en proposant et validant de nouvelles architectures numériques de puces RFID robustes à la fois aux défaillances et aux attaques matérielles. Les approches de durcissement des circuits intégrés étudient généralement leur robustesse par simulation et ce de manière indépendante à la validation de leur conception. La méthode la plus courante afin de valider la robustesse d'un circuit repose sur l'injection de fautes par simulation. Pour les puces RFID, ce type d'approche par simulation est problématique car les performances des puces dépendent de nombreux paramètres difficilement modélisables globalement. En effet, le fonctionnement d'un tag dépend de son environnement électromagnétique, du nombre de tags présents dans le système, des protocoles mis en œuvre. Aussi, nous avons développé une méthodologie basée sur le prototypage permettant d'éviter des simulations complexes et chronophages. La puce RFID prototype est alors implantée dans un FPGA. Ainsi, dès la phase de conception, cette puce peut être validée fonctionnellement dans un environnement réel. De plus, en utilisant différentes techniques d'instrumentation permettant l'injection de fautes dans les circuits numériques sur FPGA, il est alors possible d'analyser l'effet sur l'ensemble du système des fautes injectées dans le tag. Dans cette thèse, dans un premier temps, le prototype fonctionnel d'un tag RFID a été développé. Dans un second temps, ce prototype a été instrumenté pour pouvoir réaliser des injections de fautes en ligne ou hors ligne. Ensuite, le comportement du système RFID en présence de fautes dans ce tag RFID a été évalué. L'analyse des effets de ces fautes sur le système a permis de proposer, de mettre en œuvre et de valider de nouvelles architectures numériques de tags RFID robustes. Ce nouvel environnement de prototypage et d'injection de fautes a également permis de démontrer les effets de nouvelles attaques contre les systèmes RFID reposant sur l'insertion de tags fautifs ou malveillants dans les systèmes. Enfin, cette approche a permis d'évaluer les méthodes de détection des tags fautifs.

RFID tags are more and more used for critical applications within harsh environments (aeronautics, railways) or for secure applications such as identification, countermeasure against counterfeiting. However, such low cost systems, initially designed for non-critical applications with a high volume, are not robust by themselves. For critical applications, a malfunction of RFID chip may have serious consequences or induce a severe security breach for hackers. Dysfunctions can have many origins: for instance, hardware issues can be due to aging effects or can also be due to hackers attack such as optical or electromagnetic fault injection. It is thus a common practice for critical applications to increase the robustness of RFID system. The main purpose of this PhD Thesis is to increase UHF tags robustness by proposing new digital architectures of RFID chips which would be resilient against both hardware attacks and natural defects.Usual design techniques for robustness IC improvement consist in evaluating the design robustness by simulation and to do this independently of the design validation. The main technique for robustness evaluation is the simulation based faults injection. Within the RFID context such an approach only based on simulation has several drawbacks. In fact, simulations often are inaccurate because the system behavior relies on several parameters such as the global electromagnetic environment, the number of tags present in the reader field, the RFID protocol parameters.The purposes of this PhD are to develop a design method dedicated to RFID system based on hardware prototyping in order to avoid time consuming simulations and then to evaluate the design within a real environment.The hardware prototyping based on FPGA allows the design to be validated in a real environment. Moreover, using instrumentation techniques for fault injection within FPGA , it will be then possible to analyze the effects of faulty tags on the global system in terms of safety and security and then to propose countermeasures.In this thesis an FPGA based emulation platform called RFIM has been developed. This platform is compliant to EPC C1 Gen2 RFID standard. The RFID tag emulator has been validated functionally in a real environment. The RFIM platform uses the instrumentation technique for injecting faults in the digital tag circuit. Through fault injection campaigns RFIM platform can analyze the effect on the entire system of the faults injected into the tag, and ten validate new robust digital architectures.The RFIM platform has been used to demonstrate the effects of further attacks against RFID systems based on the insertion of faulty or malicious tag that contains a hardware Trojan. Finally, RFIM platform helps to develop countermeasures against the fault effects. These countermeasures have been implemented and tested in a real RFID environment with several tags and reader.