Cybersécurite matérielle et conception de composants dédiés au calcul homomorphe

Hardware cybersecurity and design of dedicated components for the acceleration of homomorphie encryption schemes

• Auteur / Autrice : Vincent Migliore
• Direction : Guy Gogniat, Arnaud Tisserand, Caroline Fontaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Stic
• Date : Soutenance le 26/09/2017
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Sirdey, Russell Tessier, Vianney Lapôtre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Régis Leveugle, Nicolas Sendrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chiffres (cryptographie)

Chiffrement (informatique)

Mots clés libres

Chiffrement homomorphe

Accélérateur matériel

Algorithme Karatsuba

Homomorphie encryption

Batching

Résumé

L’émergence d’internet et l’amélioration des infrastructures de com- munication ont considérablement encouragé l’explosion des flux d’in- formations au niveau mondial. Cette évolution a été accompagnée par l’apparition de nouveaux besoins et de nouvelles attentes de la part des consommateurs. Communiquer avec ses proches ou ses collaborateurs, stocker des documents de travail, des fichiers mul- timédia, utiliser des services innovants traitant nos documents per- sonnels, tout cela se traduit immanquablement par le partage, avec des tiers, d’informations potentiellement sensibles. Ces tiers, s’ils ne sont pas de confiance, peuvent réutiliser à notre insu les données sensibles que l’on leur a confiées. Dans ce contexte, le chiffrement homomorphe apporte une bonne solution. Il permet de cacher aux yeux des tiers les données qu’ils sont en train de manipuler. Cependant, à l’heure actuelle, le chif- frement homomorphe reste complexe. Pour faire des opérations sur des données de quelques bits (données en clair), il est nécessaire de manipuler des opérandes sur quelques millions de bits (données chiffrées). Ainsi, une opération normalement simple devient longue en termes de temps de calcul. Dans cette étude, nous avons cherché à rendre le chiffrement ho- momorphe plus pratique en concevant un accélérateur spécifique. Nous nous sommes basés sur une approche de type co-conception logicielle/matérielle utilisant l’algorithme de Karatsuba. En particulier, notre approche est compatible avec le batching, qui permet de sto- cker plusieurs bits d’informations dans un même chiffré. Notre étude démontre que le batching peut être implémenté sans surcoût important comparé à l’approche sans batching, et permet à la fois de réduire les temps de calcul (calculs effectués en parallèle) et de réduire le rapport entre la taille des données chiffrées et des données en clair.

The emergence of internet and the improvement of communica- tion infrastructures have considerably increased the information flow around the world. This development has come with the emergence of new needs and new expectations from consumers. Communicate with family or colleagues, store documents or multimedia files, using innovative services which processes our personal data, all of this im- plies sharing with third parties some potentially sensitive data. If third parties are untrusted, they can manipulate without our agreement data we share with them. In this context, homomorphic encryption can be a good solution. Ho- momorphic encryption can hide to the third parties the data they are processing. However, at this point, homomorphic encryption is still complex. To process a few bits of clear data (cleartext), one needs to manage a few million bits of encrypted data (ciphertext). Thus, a computation which is usually simple becomes very costly in terms of computation time. In this work, we have improved the practicability of homomorphic en- cryption by implementing a specific accelerator. We have followed a software/hardware co-design approach with the help of Karatsuba algorithm. In particular, our approach is compatible with batching, a technique that “packs'' several messages into one ciphertext. Our work demonstrates that the batching can be implemented at no important additional cost compared to non-batching approaches, and allows both reducing computation time (operations are processed in parallel) and the ciphertext/cleartext ratio.