Émissions électromagnétique compromettantes : fuites par canaux auxiliaires dans les périphériques embarqués

Compromising Electromagnetic Emanations : Side-Channel Leakages in Embedded Devices

• Auteur / Autrice : Pierre Ayoub
• Direction : Aurélien Francillon, Clémentine Maurice, Romain Cayre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut EURECOM (Sophia-Antipolis, Alpes-Maritimes ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Raymond Knopp
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Lopes Esteves, Colin O'Flynn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Standaert, Guy Gogniat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bluetooth à basse consommation

Systèmes sur puce

Systèmes embarqués (informatique)

Protection de l'information (informatique)

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Canaux hurlants

Attaques par canal auxiliaire électromagnétique

Bluetooth Low Energy (BLE)

Variations temporelle de signaux d'horloge

Puces à signaux mixtes

Modulation de phase non-intentionnelle

Screaming channels

Electromagnetic side-channel attacks

Bluetooth Low Energy (BLE)

Clock jitter

Mixed-signal chips

Unintended phase modulation

Résumé

Les objets électroniques sont de plus en plus interconnectés. La sécurité des communications est assurée par des algorithmes cryptographiques, interagissant inévitablement avec leur environnement lorsqu'ils sont exécutés par du matériel. Un attaquant inférant des informations sensibles depuis des mesures physiques met en œuvre une attaque par canal auxiliaire, se basant sur une relation non intentionnelle entre une grandeur physique et l'information secrète. Cette thèse se concentre sur les nouveaux risques de sécurité impactant les microcontrôleurs liés aux interactions inattendues entre des modules embarqués hétérogènes. En particulier, nous analysons les risques liés aux interactions entre couches pouvant être exploités via une analyse par canal auxiliaire d'émanation d'onde électromagnétique, puis proposons deux contributions principales. Premièrement, malgré une abondante littérature sur les attaques exploitant des fuites électromagnétiques, leur modulation reste un phénomène complexe qui n'est pas entièrement compris. Dans ce contexte, notre première contribution a pour but d'améliorer la compréhension de l'impact de l'activité numérique sur la modulation des fuites de signaux électromagnétiques, dans une visée offensive et défensive. Plus précisément, une attaque par canal auxiliaire se concentre généralement sur l'amplitude des signaux, négligeant l'impact potentiel des autres types de modulation sur la sécurité. Notre première contribution, PhaseSCA, démontre comment la modulation de phase non intentionnelle de signaux fuités se présente comme une nouvelle source de canal auxiliaire. Deuxièmement, l'impact des dernières attaques par canal auxiliaire sur les protocoles de communication modernes n'est pas systématiquement évalué. Une illustration en est l'attaque Screaming Channels, qui exploite un phénomène d'intermodulation dans une puce à signaux mixtes entre la fuite résultante de l'activité numérique et la porteuse du transmetteur radio. Les protocoles modernes n'activant ce dernier que pendant une courte période, cela impose une importante limite à l'exploitation de la fuite émise par la radio. Notre seconde contribution explore l'impact de cette attaque sur le Bluetooth Low Energy. Démontrant comment un attaquant peut manipuler les paramètres du protocole via de l'injection de paquet pour forcer une victime à transmettre pendant l'opération sensible, nous soulignons la menace introduite par cette attaque pour l'écosystème de l'Internet des Objets. Dans l'ensemble, ce travail souligne le besoin d'une analyse systématique des interactions inattendues entre matériel et logiciel afin de concevoir des puces et protocoles sécurisés, ainsi que les risques de sécurité émergents pour le futur des communications sans fil.

Modern electronic devices are increasingly interconnected and integrated. Communications security mainly relies on cryptographic algorithms which ensure a mathematically guaranteed level of confidentiality. However, when algorithms are executed by the hardware, they inevitably interact with their physical environment. This can lead to sensitive information being inferred from physical measurements. Attacks exploiting these measurements instead of the main channel are known as side-channel attacks, leveraging an unintentional relation between a physical quantity and the secret. In this thesis, we focus our work on new security risks impacting microcontrollers linked to unexpected interactions between heterogeneous digital and analog embedded modules. In particular, we analyze threats related to cross-layer interactions that can be exploited through electromagnetic side-channel analysis and propose two main contributions. First, despite a flourishing literature on electromagnetic side channels, the modulation of leaked signals remains a complex phenomenon which is not fully understood. In this context, the first major contribution of our work aims at enhance understanding of how digital activity modulate leaked electromagnetic signals for both offensive and defensive applications. More precisely, electromagnetic side channels typically focus on the amplitude of leaked signals, neglecting the potential interest of other modulation types from a security perspective. Our first contribution, PhaseSCA, uncovers unintended phase modulation in leaked signals as a novel source of side-channel. Second, the applicability of newly discovered side-channel attacks regarding modern communication protocols is not systematically evaluated. An illustration of this is the Screaming Channels attack, which exploits a phenomenon of intermodulation between the leakage from a digital activity and the carrier of a radio transceiver in mixed-signal chips. Modern protocols only enable the radio transceiver for a short duration, introducing a serious limitation since Screaming Channels exploits leakage broadcasted through the radio transceiver. Our second contribution explores the impact of this threat on Bluetooth Low Energy protocol. We highlight how an attacker can manipulate the protocol parameters through traffic injection, forcing a victim to transmit during sensitive operations, demonstrating the threat introduced by Screaming Channels for the Internet of Things ecosystem. Overall, this work underscores the need to systematically analyze the unexpected interactions between hardware and software to design secure chips and protocols, as well as highlight emerging security threats and their implications for wireless communications.