Évaluation de la Sécurité Contre les Attaques par Canaux Auxiliaires : Perspectives à partir d'une Vision Théorique de l'Information

Security Assessment Against Side-Channel Attacks : Insights from an Information-Theoretic Perspective

• Auteur / Autrice : Yi Liu
• Direction : Olivier Rioul, Patrick Solé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 15/11/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Michael Gastpar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Gastpar, Sihem Mesnager, François-Xavier Standaert, Alexander Barg, Vincent Grosso, Sheng Yang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Gastpar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Information, Théorie de l'

Cryptographie

Évaluation

Mesures de sûreté

Systèmes informatiques

Mots clés libres

Canaux Auxiliaires

Théorie de l'Information

Masquage

Évaluation de la sécurité

Side Channel

Information Theory

Masking

Security Assessment

Résumé

L'utilisation répandue des dispositifs cryp-tographiques met en évidence le besoin de leur fonctionnement sécurisé sur des plateformes physiques. Des fuites d'informations involontaires, telles que la durée d'exécution, la puissance, et les émissions électromagnétiques, peuvent permettre aux attaquants de déduire les clés secrètes utilisées via des attaques par canaux cachés (SCAs). L'importance des SCAs a intensifie la recherche sur la sécurité des dispositifs cryptographiques, avec l'émergence de mesures théoriques de l'information comme outils d'évaluation efficaces. Dans ce contexte, les objectifs centraux de cette thèse sont de quantifier les fuites par canaux cachés , évaluer la sécurité des dispositifs cryptographiques face aux SCAs (à la fois non protégés et masqués), et de trouver une méthode pour élaborer des codes de masquage plus efficaces. Pour la construction du code de masquage, nous trouvons des bornes par programmation linéaire sur le nombre de contact des codes q-aires. Nous montrons également que le code est d'autant plus performant que le polynôme enumérateur des poids du code dual est minimal pour l'ordre lexicographique. Concernant l'évaluation des fuites par canaux cachés, nous introduisons une nouvelle métrique d'information, appelée alpha-information conditionnelle de Sib-son. Elle peut exprimer par une formule explicite propice aux évaluations numériques et vérifie plusieurs propriétés utiles. En utilisant cette mesure, nous examinons les fuites par canaux cachés des dispositifs non protégés. De plus, nous utilisons l'information mutuelle de Fano pour évaluer les fuites par canaux cachés des implémentations masquées basées sur un code sous un modèle de sondage. Enfin, pour l'évaluation de la sécurité des implémentations masquées, nous utilisons l'alpha-information pour évaluer les implémentations de masquage arithmétique et booléen. Nous définissons des limites inférieures universelles sur le nombre de requêtes nécessaires pour atteindre un taux de succès donné.

In today's world, the widespread use of cryptographic devices highlights the need for their secure operation. Unintended leakages, like time, power, and electromagnetic emissions, can allow attackers to deduce secret keys via side-channel attacks (SCAs). Evaluating the security of cryptographic devices against SCAs is important for both the industrial and academic sectors, and information-theoretic metrics turn out to be effective tools. “Masking” stands out as a key countermeasure, with ongoing discussions on its optimization and the security of its implementations. In light of this context, the central aims of this thesis are to quantify side-channel leakage, appraise the security of cryptographic devices against SCAs (both unprotected and masked), and to explore methodologies for formulating more potent masking codes. For masking code construction, we establish linear programming bounds for the kissing number of q-ary linear codes, guided by recent findings on optimized code-based masking performance related to the dual code's kissing number. In addition, we demonstrate the connection between code-based masking efficacy and the whole weight enumeration of the dual of the masking code. The lexicographical order based on weight distribution prefixes is proposed for selecting ideal masking codes. Regarding side-channel leakage evaluation, we introduce a novel information metric, called conditional Sibson's alpha-information. This metric has an explicit expression and possesses several beneficial properties. Utilizing this metric, we delve into the sidechannel leakage of unprotected devices. Additionally, we use Fano's mutual information to evaluate the sidechannel leakage of code-based masked implementations under probing model. Lastly, when considering the security assessment of masked implementations, we utilize the alphainformation measure to appraise the security of both arithmetic and Boolean masking implementations. We derive universal bounds on the probability of success of any type of side-channel attack. These also provide lower bounds on the minimum number of queries required to achieve a given success rate.