Rétro-conception de systèmes sécurisés par attaques physiques

Reverse engineering secure systems using physical attacks

• Auteur / Autrice : Thibaut Heckmann
• Direction : David Naccache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 18/06/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• 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 : Konstantinos Markantonakis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Naccache, Konstantinos Markantonakis, Damien Sauveron, Keith E. Mayes, Sergei Skorobogatov, Markus Kuhn, Ingrid Verbauwhede, Marc Watin-Augouard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Sauveron, Keith E. Mayes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mathématiques

Mots clés libres

Retro-conception matérielle

Extractions physiques

Attaques par le milieu

Tomographie 3D aux rayons X

Interactions laser-matière et électron-matière

Attaques chimiques

Transplantations judiciaires

Hardware reverse engineering

Physical extractions

Man-in-the-middle attacks

X-ray 3D tomography

Laser-matter and electron-matter interactions

Chemical attacks

Forensic transplantations

Résumé

Avec l’arrivée des dernières générations de téléphones chiffrés (BlackBerry PGP, iPhone), l’extraction des données par les experts est une tâche de plus en plus complexe et devient un véritable défi notamment après une catastrophe aérienne ou une attaque terroriste. Dans cette thèse, nous avons développé des attaques physiques sur systèmes cryptographiques à des fins d’expertises judiciaires. Une nouvelle technique de re-brasage à basse température des composants électroniques endommagés, utilisant un mélange eutectique 42Sn/58Bi, a été développée. Nous avons exploité les propriétés physico-chimiques de colles polymères et les avons utilisées dans l’extraction de données chiffrées. Une nouvelle technique a été développée pour faciliter l’injection et la modification à haute-fréquence des données. Le prototype permet des analyses en temps réel des échanges processeur-mémoire en attaque par le milieu. Ces deux techniques sont maintenant utilisées dans des dispositifs d’attaques plus complexes de systèmes cryptographiques. Nos travaux nous ont mené à sensibiliser les colles polymères aux attaques laser par pigmentation. Ce processus permet des réparations complexes avec une précision laser de l’ordre de 15 micromètres. Cette technique est utilisable en réparations judiciaires avancées des crypto-processeurs et des mémoires. Ainsi, les techniques développées, mises bout à bout et couplées avec des dispositifs physiques (tomographie 3D aux rayons X, MEB, laser, acide fumant) ont permis de réussir des transplantations judiciaires de systèmes chiffrés en conditions dégradées et appliquées pour la première fois avec succès sur les téléphones BlackBerry chiffrés à l’aide de PGP.

When considering the latest generation of encrypted mobile devices (BlackBerry’s PGP, Apple’s iPhone), data extraction by experts is an increasingly complex task. Forensic analyses even become a real challenge following an air crash or a terrorist attack. In this thesis, we have developed physical attacks on encrypted systems for the purpose of forensic analysis. A new low-temperature re-soldering technique of damaged electronic components, using a 42Sn/58Bi eutectic mixture, has been developed. Then we have exploited the physico-chemical properties of polymer adhesives and have used them for the extraction of encrypted data. A new technique has been developed to facilitate injection and high-frequency data modification. By a man-in-the-middle attack, the prototype allows analysing, in real-time, the data exchanges between the processor and the memory. Both techniques are now used in more complex attacks of cryptographic systems. Our research has led us to successfully sensitise polymer adhesives to laser attacks by pigmentation. This process allowed complex repairs with a laser with 15 micrometres precision and has been used in advanced forensic repair of crypto-processors and memory chips. Finally, the techniques developed in this thesis, put end-to-end and coupled with physical devices (X-ray 3D tomography, laser, SEM, fuming acids), have made it possible to have successful forensic transplants of encrypted systems in degraded conditions. We have successfully applied them, for the first time, on PGP-encrypted BlackBerry mobile phone.