Contributions à l’analyse de canaux auxiliaires sans connaissance des clairs et chiffrés, et à la recherche de S-boxes compactes

Contribution to blind side channel analysis, and search of compact S-boxes

• Auteur / Autrice : Léo Reynaud
• Direction : Christophe Clavier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Marine Minier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Clavier, Yanis Linge, Antoine Wurker
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Louis Goubin, Sylvain Guilley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Chiffrement (informatique)

Cyberdéfense

Protection de l'information (informatique)

Cryptographie

Mots clés libres

Canaux auxiliaires

Distributions jointes

S-boxes compactes

Side channel

Joint distributions

Compact S-boxes

Résumé

La cryptographie est largement utilisée de nos jours, et les attaques par analyse de canaux auxiliaires sont une menace avérée. Afin de développer des contre-mesures adéquates, ces attaques sont constamment étudiées et améliorées. Ce document s’inscrit dans cette démarche et étudie les attaques par distributions jointes qui ont pour particularité de ne nécessiter ni le clair ni le chiffré contrairement aux attaques classiques. Premièrement, de nouvelles variantes qui améliorent cette attaque sont proposées. Elles consistent notamment à observer plus ou différentes variables intermédiaires, et à adapter les distributions théoriques en conséquence. Ensuite, une expérimentation sur microcontrôleur est proposée et valide l’efficacité de l’attaque en général hors simulations. Enfin, plusieurs solutions visant à compromettre des implémentations masquées sont proposées. Elles consistent à tirer profit de la réutilisation de certaines valeurs de masques sur plusieurs variables internes, ce qui résulte en la proposition des attaques quadrivariées. Un autre axe principal ayant pour sujet la construction de S-boxes compactes 8 bits est exploré dans ce document et a pour origine la participation au projet PACLIDO, dont l’un des buts est le développement d’un algorithme de cryptographie légère. La S-box est un composant essentiel des algorithmes de chiffrement et a pour rôle de les rendre résistants à la cryptanalyse classique.Malheureusement, ce composant est souvent très coûteux en nombre de portes logiques. Nous proposons deux méthodes de recherche de circuits compacts 8 bits composés de portes hybrides ANDXOR, et montrons quelques résultats proches de ceux qui se trouvent dans la littérature.

Cryptography is widely used nowadays, and side channel attacks are known threats. In order to develop suitable countermeasures, these attacks are constantly studied and improved. This document is part with this approach and studies joint distributions attacks which do not need the plaintext nor the ciphertext, contrary to classical attacks. First, new variants which improve this attack are proposed. They mainly consist in observing more or different intermediate variables, and adapt theoretical distributions accordingly. Then, a practical experiment is done on a microcontroller which validates the attack apart from simulations. Finally, several solutions that compromise masked implementations are proposed. They consist in using the fact that some masks are reused on several internal variables, ending in the quadrivariate attacks proposal. An other main theme about 8 bits S-boxes construction is explored in this document, and originated from the participation to the PACLIDO project which aims to develop a lightweight cryptography algorithm. The S-box is a critical component of cryptographic algorithms and acts to make them resilient to classical cryptanalysis. Unfortunately, this component is often costly in terms of logical gates. We propose two methods for searching compact 8 bit circuits composed of hybrid gates ANDXOR, and show some results close to the literature.