Stratégies pour sécuriser les processeurs embarqués contre les attaques par canaux auxiliaires

Strategies for Securing Embedded Processors against Side-Channel Attacks

• Auteur / Autrice : Lyonel Barthe
• Direction : Lionel Torres, Pascal Benoit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et microélectroniques
• Date : Soutenance le 10/07/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Torres, Pascal Benoit, François-Xavier Standaert, Jean-Luc Danger, Jean-Claude Bajard, Jacques Blanc-Talon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Standaert, Jean-Luc Danger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes embarqués (informatique)

Ondes électromagnétiques

Cryptographie

Codes correcteurs d'erreurs (théorie de l'information)

Chiffrement (informatique)

Mots clés libres

Attaques par Canaux Auxiliaires

Dpa/dema

Processeurs Embarqués

Contre-mesures

SecretBlaze

Side-Channel Attacks

Dpa/dema

Embedded Processors

Countermeasures

SecretBlaze

Résumé

Les attaques par canaux auxiliaires telles que l'analyse différentielle de la consommation de courant (DPA) et l'analyse différentielle des émissions électromagnétiques (DEMA) constituent une menace sérieuse pour la sécurité des systèmes embarqués. L'objet de cette thèse est d'étudier les vulnérabilités des implantations logicielles des algorithmes cryptographiques face à ces attaques pour concevoir un processeur d'un nouveau type. Pour cela, nous commençons par identifier les différents éléments des processeurs embarqués qui peuvent être exploités pour obtenir des informations secrètes. Puis, nous introduisons des stratégies qui privilégient un équilibre entre performance et sécurité pour protéger de telles architectures au niveau transfert de registres (RTL). Nous présentons également la conception et l'implantation d'un processeur sécurisé, le SecretBlaze-SCR. Enfin, nous évaluons l'efficacité des solutions proposées contre les analyses électromagnétiques globales et locales à partir de résultats expérimentaux issus d'un prototype du SecretBlaze-SCR réalisé sur FPGA. A travers cette étude de cas, nous montrons qu'une combinaison appropriée de contre-mesures permet d'accroître significativement la résistance aux analyses par canaux auxiliaires des processeurs tout en préservant des performances satisfaisantes pour les systèmes embarqués.

Side-channel attacks such as differential power analysis (DPA) and differential electromagnetic analysis (DEMA) pose a serious threat to the security of embedded systems. The aim of this thesis is to study the side-channel vulnerabilities of software cryptographic implementations in order to create a new class of processor. For that purpose, we start by identifying the different elements of embedded processors that can be exploited to reveal the secret information. Then, we introduce several strategies that seek a balance between performance and security to protect such architectures at the register transfer level (RTL). We also present the design and implementation details of a secure processor, the SecretBlaze-SCR. Finally, we evaluate the effectiveness of the proposed solutions against global and local electromagnetic analyses from experimental results obtained with a FPGA-based SecretBlaze-SCR. Through this case study, we show that a suitable combination of countermeasures significantly increases the side-channel resistance of processors while maintaining satisfactory performance for embedded systems.