Analyse d'algorithmes post-quantiques implantables en pratique

Study of post-quantum algorithms that can be implemented in practice

• Auteur / Autrice : Lina Mortajine
• Direction : Nadia El Mrabet-Poinsot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 18/10/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Microélectronique de Provence - Site Georges Charpak (CMP-GC)
• Jury : Président / Présidente : Laurent-Stéphane Didier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia El Mrabet-Poinsot, Laurent-Stéphane Didier, Sébastien Canard, Sylvain Guilley, Jean-Max Dutertre, Pierre-Louis Cayrel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Canard, Sylvain Guilley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microcontrôleurs

Euclide, Algorithme d'

Cryptographie post-quantique

Mots clés libres

Post-quantique

Cryptographie à base de codes correcteurs

Cryptographie à base de réseaux euclidiens

Implantations

Microcontrôleurs

Attaques par canaux auxiliaires

Post-quantum

Code-based cryptography

Lattice-based cryptography

Implementation

Microcontroller

Side-channel attacks

Résumé

L'émergence de la recherche sur l'ordinateur quantique représente de plus en plus une menace pour la cryptographie asymétrique actuellement utilisée. Ainsi, en 2016, le NIST a lancé une campagne de standardisation post-quantique visant à déployer des alternatives résistantes aux attaques quantiques. Les systèmes de chiffrement et de signature post-quantiques reposent sur des problèmes mathématiques difficiles à résoudre comme ceux que l'on trouve dans les réseaux euclidiens et dans les codes correcteurs d'erreurs. Bien que l'aspect théorique de ces protocoles soit, pour certains, étudié depuis de nombreuses années, leur intégration en pratique crée de nombreuses contraintes, notamment dans des environnements restreints tels que les microcontrôleurs : limitation en espace mémoire et puissance de calculs, attaques physiques liées à l'analyse de la consommation de courant du circuit lorsque ce dernier exécute un cryptosystème. Ces divers aspects constituent le contexte de cette thèse. Nous commençons par réaliser l'implantation d'un cryptosystème à base de codes correcteurs (ROLLO) avec une optimisation du coût mémoire et proposons une première analyse d'attaques physiques sur ce candidat ainsi que les contre-mesures associées afin de protéger l'implantation. Puis, nous nous penchons sur la sécurité d'un candidat prometteur à base de réseaux euclidiens (NTRU) et nous proposons également de nouvelles contre-mesures. Nous terminons par une étude portant sur l'implantation avec optimisation en mémoire d'un schéma de signature (Crystals-Dilithium) à base de réseaux euclidiens, finaliste de la standardisation du NIST.

The emergence of quantum computer research increasingly poses a threat to currently used asymmetric cryptography. Thus, in 2016, NIST launched a post-quantum project campaign to standardize alternatives that are resistant to quantum attacks. Post-quantum encryption and signature systems are based on hard-to-solve mathematical problems, such as problems based on lattices and error-correcting codes. Although the theoretical aspect of some of these protocols has been studied for many years, their integration into practice comes up with many constraints, especially in restraint environments such as microcontrollers : memory space and computational power limitations, physical attacks related to the power analysis of a circuit executing a cryptosystem. Thus, to prepare the transition to post-quantum cryptography, the practical aspects of integrating these protocols must be studied and considered. These various aspects constitute the context of this thesis, in order to be prepared for a rapid integration of post-quantum cryptosystems at the availability of the first standards. In this thesis, we begin with the implementation of a cryptosystem based on codes (ROLLO) with an optimization of the memory cost and we propose a first analysis of side-channel attacks on this candidate and the countermeasures to protect the implementation. Then, we look at the security aspect of a promising candidate (NTRU), protocol based on lattices and we propose new countermeasures too. We conclude with a study of an implementation with memory optimization of a signature scheme (Crystals-Dilithium) based on lattices, finalist of the NIST standardization.