(de l') Impact de la micro-architecture sur les protections contre les attaques par canal auxiliaire

(On) The Impact of the Micro-architecture on Countermeasures against Side-Channel Attacks

• Auteur / Autrice : Lorenzo Casalino
• Direction : Karine Heydemann, Damien Couroussé, Nicolas Belleville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 30/01/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Lilian Bossuet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sonia Belaïd, Arnaud Tisserand, Erven Rohou
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lilian Bossuet, Louis Goubin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryptographie

Systèmes embarqués (informatique)

Architecture -- Informatique

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Micro-Architecture

Canal auxiliare

Contre-mesures

Micro-Architecture

Side-Channel

Countermeasure

Résumé

Les attaques par canaux auxiliaires sont une menace pour la confidentialité des données, en particulier sur les systèmes embarqués. La contre-mesure de masquage constitue une approche de protection sûre et prouvée. Néanmoins, des réalités physiques réduisent les garanties de sécurité prouvées. En particulier, dans le contexte logiciel, le jeu d'instructions (ISA) supporté par un processeur cache au concepteur du schéma de masquage l'une des causes de cette réduction de la sécurité : la micro-architecture. Ainsi, le concepteur ne peut pas déterminer les sources de fuite induites par la micro-architecture et leur impact sur la sécurité d'une implémentation logicielle. Des informations peuvent fuir, par exemple, lors des transitions d'état dans les registres cachés, ou si les signaux dans des éléments combinatoires ont des temps de propagation différents. À cela s'ajoutent les effets de mécanismes spéculatifs potentiels et de la structuration du système mémoire. Plusieurs méthodologies permettent d'atténuer l'impact de la micro-architecture sur les implémentations logicielles masquées, mais ces travaux requièrent une connaissance fine de la micro-architecture, ce qui a plusieurs inconvénients : portabilité limitée des garanties de sécurité entre différentes micro-architectures, connaissance souvent incomplète de la micro-architecture, complexité des micro-architectures. On peut donc se demander s'il existe des approches moins dépendantes de la micro-architecture sous-jacente. Dans cette thèse, nous abordons, selon deux axes, la problématique du développement de logiciels masqués sécurisés en pratique contre les attaques par canal auxiliaire. Le premier axe vise le développement automatisé de logiciel masqué résistant aux fuites en transitions. Nous proposons une méthodologie qui tire parti des compilateurs optimisants : étant donné une implémentation logicielle, annotée avec des informations relatives aux données sensibles et une description de la micro-architecture cible, nous montrons comment l'ordonnancement des instructions et l'allocation des registres peut atténuer les fuites basées sur les transitions de manière automatisée. Le deuxième axe vise une approche indépendante de l'architecture cible. Dans la littérature, les travaux se concentrent en majorité sur l'atténuation de l'impact de la micro-architecture sur les implémentations logicielles protégées par le schéma de masquage Booléen. D'autres types de schémas de masquage ont été montrés plus résistants aux fuites en transition en théorie, et donc potentiellement aux effets de la micro-architecture de la cible. Cependant, leur résistance en pratique n'a pas été étudiée. De plus, l'exploitation potentielle d'informations provenant du parallélisme des données potentiellement induit par la micro-architecture n'a pas été étudié pour les implémentations logicielles. Nous étudions ainsi la sécurité en pratique offerte par les schémas de masquage de premier ordre Booléen, arithmétique et produit scalaire contre les fuites induites par la micro-architecture, y compris le parallélisme des données. D'abord, nous montrons que le parallélisme de données se manifeste même sur de simples micro-architectures scalaires. Ensuite, nous étudions l'impact des fuites en transition et du parallélisme de données sur les valeurs masquées avec les schémas de masquage étudiés. Enfin, nous étudions l'impact de ces fuites sur des implémentations masquées du cryptosystème AES-128. Nous montrons qu'aucun des schémas de masquage étudiés n'apporte de protection parfaite face aux fuites micro-architecturales considérées, bien que leur résistance soit très hétérogène.

Side-channels attacks are recognized as a threat for the confidentiality of data, in particular on embedded systems. The masking countermeasure constitutes a provably secure protection approach. Nonetheless, physical non-idealities reduce its proven security guarantees. In particular, in the software implementations, the Instruction Set Architecture (ISA) supported by a processor hides to the masking scheme designer one cause of such physical non-idealities: the micro-architecture. As such, the designer is not aware of the actual micro-architecture-induced side-channel sources and their security impact on a software implementation. Information can leak, for instance, during the state transition of hidden registers, or in the case signals of combinatorial elements exhibit different propagation times. Furthermore, speculative features and the memory subsystems can play a role in such information leakage. Several methodologies allow the mitigation of the impact of the micro-architecture on masked software implementations, but these approaches depend on the detailed knowledge of the micro-architecture, which implies several shortcomings: limited portability of the security guarantees between different micro-architectures, incomplete knowledge of the microarchitecture, complexity of the micro-architecture design. Thus, one might wonder whether there exist approaches less dependent on the underlying micro-architecture. With this thesis, we address, along two axes, the problem of developing practically secure masked software. The first axis targets the automated development of masked software resilient to transition-based leakages. We propose a methodology that takes advantage of optimizing compilers: given in input a software implementation, annotated with sensitive-data-related information, and a description of the target micro-architecture, we show how to exploit the instruction scheduling and register allocation tools to mitigate transition-based leakages in an automated manner. The second axis targets an architecture-independent approach. In literature, most of the works focuses on mitigating the impact of the micro-architecture on software implementations protected with the so-called Boolean masking scheme. Theoretical studies show the better resilience of alternative types masking schemes against transition-based leakages, suggesting their employment against micro-architectural leakage. Yet, their practical resilience has not been explored. Furthermore, the potential exploitation of the information leaked by data parallelism, potentially induced by the micro-architecture, has not been studied for software implementations. As such, we study the practical security offered by first-order Boolean, arithmetic and Inner-Product masking against micro-architecture-induced leakage, encompassing data parallelism as well. We first show that data parallelism can manifest also on simple scalar micro-architectures. Then, we evaluate the impact of transition-based leakage and data parallelism on values masked with the studied masking schemes. Eventually, we evaluate the impact of such information leakages on different masked implementations of the AES-128 cryptosystem. We show that, although their different leakage resilience, none of the studied masking schemes can perfectly mitigate the considered micro-architectural leakages.