Preuves formelles de la sécurité de standards : Un objectif nécessaire, possible grâce à EasyCrypt

Formal Security Proofs of Cryptographic : A necessity achieved using EasyCrypt

• Auteur / Autrice : Cécile Baritel-Ruet
• Direction : Yves Bertot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 02/10/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Sûreté du logiciel et Preuves Mathématiques Formalisées
• Jury : Président / Présidente : Bruno Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bertot, Bruno Martin, Sandrine Blazy, Steve Kremer, Manuel Bernardo Martins Barbosa, François Dupressoir, Benjamin Grégoire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Blazy, Steve Kremer
• DOI : 10.70675/40952066zf46ez4342zae06zd2607d63fec6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chiffrement (informatique)

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Cryptographie

Standards

Sécurité prouvable

EasyCrypt

Preuve formelle

CMAC

SHA-3

ChaCha20-Poly1305

Cryptography

Standards

Provable security

EasyCrypt

Formal proof

CMAC

SHA-3

ChaCha20-Poly1305

Résumé

En cryptographie, Shannon a montré que le secret parfait n’existe pas. Ainsi, la cryptographie moderne considère des propriétés de sécurité dans lesquelles un attaquant peut briser l’algorithme cryptographique mais seulement avec une faible probabilité. Dans ce contexte, les algorithmes cryptographiques, les propriétés de sécurité et hypothèses de sécurité sont exprimés sous forme de programmes probabilistes. Les preuves de sécurité consistent à borner la probabilité d’un événement dans de tels programmes. Ces preuves sont difficiles à prouver et vérifier, et malgré le système de relecture académique des erreurs continuent d’être publiées. Nous proposons l’utilisation des preuves formelles pour assurer une fiabilité suffisante dans le cas des standards cryptographiques. Ma thèse fournit les preuves formelles de sécurité de trois standards vérifiées dans l’assistant de preuve EasyCrypt. Ces schémas sont CMAC (qui fournit l’authentification et l’intégrité des messages), SHA-3 (une fonction de hachage cryptographique), et ChaCha20-Poly1305 (un schéma de chiffrement authentifié avec données associées). L’objectif de la thèse n’est pas seulement de formaliser la preuve de sécurité de ces standards, mais aussi de développer des techniques génériques et des bibliothèques qui peuvent être réutilisées. Toutefois, les preuves formelles de sécurité n’assurent que la sécurité des algorithmes et non de leurs implémentations. Pour contourner cette lacune, avec mes collaborateurs, nous lions formellement nos implémentations sûres et efficaces avec la preuve de sécurité, ceci conduit à la première preuve de sécurité cryptographique d’implémentations.

In cryptography, Shannon showed that perfect secrecy does not exist. Thus, modern cryptography considers security property in which attackers may break the cryptographic algorithm only with a small (negligible) probability. In this context, cryptographic algorithms, security properties, and security assumptions are expressed as probabilistic programs. Security proofs consist of bounding the probability of an event in such programs. Such profs have been peer-reviewed for some decades, but since they are difficult to prove and to verify, fallacies keep emerging. We propose to use formal proofs to provide enough trustworthiness for crypto-systems such as cryptographic standards. My thesis provides the formal security proofs of three standards that are formally verified using the proof assistant EasyCrypt. The cryptographic standards I have worked on are CMAC (that provides message authentication and integrity), SHA-3 (a cryptographic hash function), and ChaCha20-Poly1305 (an authenticated encryption scheme with associated data). The goal of the thesis is not only to provide formal proof of those standards, but also to develop generic techniques and libraries that can be reused. However, the formal security proofs only ensure the security of the algorithms and not its implementation. To circumvent this gap, with my collaborators, we have developed fast and secure implementations of the last two schemes that are also side-channel resistant. Furthermore, we formally link the implementation with the security proof, leading to the first formal security proof of an implemented standard.