Qu’est ce que l’information permet de deviner ? : Vers une quantification des fuites d’informations dans l’analyse de canaux auxiliaires

What can information guess ? : Towards information leakage quantification in side-channel analysis

• Auteur / Autrice : Wei Cheng
• Direction : Olivier Rioul, Sylvain Guilley
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, Information et Communications
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et Communication de l'Information / LTCI
• Jury : Président / Présidente : David Naccache
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Rioul, David Naccache, François-Xavier Standaert, Sihem Mesnager, Annelie Heuser, Joseph Boutros
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Standaert, Michael Gastpar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Entropie (théorie de l'information)

Cryptographie

Mots clés libres

Analyse des canaux auxiliaires

Contre-mesure de masquage

Quantification des fuites

Alpha-information

Side-channel analysis

Code-based masking

Leakage quantification

Alpha-information

Résumé

Les algorithmes cryptographiques jouent un rôle prédominant pour établir une connectivité sécurisée dans notre société numérique actuelle. Ces calculs traitent des informations sensibles telles que des clés de chiffrement, qui sont généralement très exposées lors de la manipulation, ce qui représente une menace énorme pour la sécurité des informations sensibles dans les composants cryptographiques et l'ensemble des systèmes connectés. Dans le domaine de la sécurité des systèmes embarqués, l'analyse des canaux auxiliaires est l'une des techniques les plus puissantes contre les implémentations cryptographiques. Le sujet principal de cette thèse concerne la sécurité mesurable des canaux auxiliaires des implémentations cryptographiques, en particulier en présence de masquage aléatoire. Globalement, cette thèse se compose de deux sujets. L'un est la quantification des fuites de la forme la plus générale de masquage équipé des codes linéaires, dit masquage à base de code ; l'autre est l'exploration de l'application de mesures d'information plus génériques dans un contexte d'analyse de canaux auxiliaires. Pour ce qui concerne le premier sujet, nous proposons un cadre théorique de codage unifié pour mesurer la fuite d'informations dans le masquage basé sur les codes. Plus précisément, notre cadre établit des connexions formelles entre les propriétés de codage et les métriques de fuite dans l'analyse des canaux auxiliaires. Ces connexions formelles nous permettent de faire avancer l'évaluation quantitative sur la façon dont les codes linéaires peuvent affecter la sécurité concrète de tous les schémas de masquage basés sur les codes. Notre formalisation est finalement vérifiée par une évaluation basée sur les attaques, où les attaques utilisent des distingueurs basés sur le maximum de vraisemblance et donc optimales. Concernant le deuxième sujet, nous proposons d'utiliser une mesure plus générale du point de vue de la théorie de l'information, à savoir l’information alpha (alpha-information) d'ordre alpha. La nouvelle mesure donne également la limite supérieure du taux de succès et la limite inférieure du nombre de mesures. Ce qui est remarquable, c'est qu'avec des choix appropriés de alpha, l'information alpha fournit des bornes très proches de la réalité; en particulier, lorsque alpha tend vers l'infini (positif), les limites seront exactes. En fait, les distingueurs basés sur le maximum de vraisemblance convergeront vers les limites. Par conséquent, nous démontrons comment les deux mondes, à savoir les mesures du point de vue de la théorie de l'information (limites) et les attaques par canaux auxiliaires basées sur le maximum de vraisemblance, sont parfaitement connectés dans l'analyse par canaux auxiliaires. En résumé, notre étude dans cette thèse fait avancer l'évaluation et la consolidation de la sécurité des canaux auxiliaires des implémentations cryptographiques. Du point de vue de la protection, nous fournissons un guide des meilleures pratiques pour l’application du masquage basé sur le code. Du point de vue de l'évaluation, l'application de l'alpha-information permet aux évaluateurs et concepteurs (développeurs) d'avoir une estimation plus précise (voire exacte) du niveau de sécurité concret des canaux auxiliaires émanant de leurs puces cryptographiques.

Cryptographic algorithms are nowadays prevalent in establishing secure connectivity in our digital society. Such computations handle sensitive information like encryption keys, which are usually very exposed during manipulation, resulting in a huge threat to the security of the sensitive information concealed in cryptographic components. In the field of embedded systems security, side-channel analysis is one of the most powerful techniques against cryptographic implementations. The main subject of this thesis is the measurable side-channel security of cryptographic implementations, particularly in the presence of random masking. Overall, this thesis consists of two topics. One is the leakage quantification of the most general form of masking equipped with the linear codes, so-called code-based masking; the other one is exploration of applying more generic information measures in a context of side-channel analysis. Two topics are inherently connected to each other in assessing and enhancing the practical security of cryptographic implementations .Regarding the former, we propose a unified coding-theoretic framework for measuring the information leakage in code-based masking. Specifically, our framework builds formal connections between coding properties and leakage metrics in side-channel analysis. Those formal connections enable us to push forward the quantitative evaluation on how the linear codes can affect the concrete security of all code-based masking schemes. Moreover, relying on our framework, we consolidate code-based masking by providing the optimal linear codes in the sense of maximizing the side-channel resistance of the corresponding masking scheme. Our framework is finally verified by attack-based evaluation, where the attacks utilize maximum-likelihood based distinguishers and are therefore optimal. Regarding the latter, we present a full spectrum of application of alpha-information, a generalization of (Shannon) mutual information, for assessing side-channel security. In this thesis, we propose to utilize a more general information-theoretic measure, namely alpha-information (alpha-information) of order alpha. The new measure also gives the upper bound on success rate and the lower bound on the number of measurements. More importantly, with proper choices of alpha, alpha-information provides very tight bounds, in particular, when alpha approaches to positive infinity, the bounds will be exact. As a matter of fact, maximum-likelihood based distinguishers will converge to the bounds. Therefore, we demonstrate how the two world, information-theoretic measures (bounds) and maximum-likelihood based side-channel attacks, are seamlessly connected in side-channel analysis .In summary, our study in this thesis pushes forward the evaluation and consolidation of side-channel security of cryptographic implementations. From a protection perspective, we provide a best-practice guideline for the application of code-based masking. From an evaluation perspective, the application of alpha-information enables practical evaluators and designers to have a more accurate (or even exact) estimation of concrete side-channel security level of their cryptographic chips.