Etude de la résistance aux attaques par canaux auxiliaires d'implémentations de primitives cryptographiques basées sur les réseaux euclidiens pour la cryptographie post-quantique

Study of the resistance to side-channel attacks of cryptographic primitives based on lattices for post-quantum cryptography

• Auteur / Autrice : Rafael Carrera rodriguez
• Direction : Pascal Benoit
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Microélectronique

Mots clés

Mots clés libres

Attaques par canaux auxiliaires

Réseaux euclidiens

Cryptographie post-quantique

Architecture

Post-quantum cryptography

Architecture

Latice-based cryptography

Side-channel attacks

Résumé

Le développement de l'informatique quantique remet en cause un certain nombre de paradigmes, notamment ceux utilisés dans la cryptographie asymétrique. Les algorithmes de chiffrement asymétriques se basent sur la factorisation des grands nombres et la complexité de les factoriser sur une machine classique. L'algorithme quantique de Shor permet d'accélérer cette factorisation significativement ce qui rend les algorithmes de chiffrement asymétriques classiques vulnérables [1]. C'est pourquoi, en 2016, le NIST, l'agence de standardisation américaine, a décidé de lancer un concours pour décider des futurs standards de chiffrement post-quantique. Les algorithmes candidats concourent dans deux catégories principales : les algorithmes de chiffrements à clé public et de partage de clés d'une part et les algorithmes de signature digitale d'autre part. La compétition arrivera à son terme au plus tard fin 2024 et les 7 finalistes pour les deux catégories sont connus depuis cet été (https://csrc.nist.gov/Projects/post-quantum-cryptography/round-3-submissions). Les gagnants remplaceront les algorithmes existants dès leur promulgation. Ces algorithmes utilisent de nouvelles primitives cryptographiques qu'il est nécessaire de comprendre, d'évaluer et d'implémenter dès maintenant afin d'être prêt le moment venu. Ces algorithmes de chiffrement dits post-quantiques sont par construction très résistants aux attaques mathématiques et chercher la clé de chiffrement utilisée de manière exhaustive est suffisamment complexe pour n'être pas réalisable dans un temps court. Ces algorithmes sont cependant implémentés sur des supports matériels (processeurs généralistes ou co-processeurs dédiés). Ceux-ci lors de leur utilisation peuvent être soumis à d'autres attaques dites attaques par canaux auxiliaires qui s'appuient sur des informations physiques telles que la consommation électrique ou encore les émissions électromagnétiques pour retrouver la clé de chiffrement utilisée dans le circuit attaqué et ainsi en compromettre la sécurité. La vulnérabilité des prétendants à ce type d'attaques a été démontrée [2-4]. Il est donc nécessaire de sécuriser les implémentations du futur nouveau standard cryptographique contre ce type d'attaque. L'objectif principal de la thèse est de travailler sur la sécurisation des prétendants au nouveau standard cryptographique post-quantique afin de disposer d'implémentations sures dès la publication des nouveaux standards et de pouvoir les intégrer au plus vite dans les circuits sécurisés du marché. Pour cela, nous proposons le planning de travail suivant : - Dans un premier temps, le doctorant sera amené à étudier les prétendants. Il fera une évaluation des implémentations matérielles et logicielles proposées dans les réponses de l'appel à projet. Il identifiera les failles potentielles mises en avant dans l'état de l'art. Il constituera ainsi un catalogue d'implémentations qui serviront de base à la suite de son travail. - Ensuite, l'étudiant sera amené à effectuer des analyses par canaux auxiliaires à l'aide des bancs de mesure de la plateforme SECNUM (plateforme de sécurité numérique) sur les implémentations réalisées dans la première partie de son travail. Il identifiera les faiblesses de ces algorithmes vis-à-vis de ce type d'attaque. - Enfin, il développera les contremesures associées, les implémentera et en démontrera la robustesse face aux analyses par canaux auxiliaires. Les contremesures de type masquage étant indépendantes du support physique utilisé (processeur généraliste, ASIC ou FPGA), ce type de solution sera bien entendu à privilégier. Cette thèse permettra donc de produire une bibliothèque d'implémentations logicielles et matérielles sécurisées d'algorithmes de chiffrement post-quantique mais aussi de développer de nouvelles contremesures pour renforcer l'état de l'art actuel. Elle sera un atout pour le monde sécurisé de demain et permettra d'avoir un temps d'avance lors de la parution des gagnants du concours. Ce travail devrait ensuite être facilement valorisable auprès des entreprises de l'écosystème occitanien.

The development of quantum computing challenges a number of paradigms, particularly those used in asymmetric cryptography. Asymmetric encryption algorithms are based on the factorisation of large numbers and the complexity of factoring them on a conventional machine. Shor's quantum algorithm allows this factorisation to be accelerated significantly, which makes conventional asymmetric encryption algorithms vulnerable [1]. This is why, in 2016, the NIST, the American standardization agency, has decided to launch a competition to decide on future post-quantum encryption standards. Candidate algorithms compete in two main categories: public key encryption and key sharing algorithms on the one hand and digital signature algorithms on the other hand. The competition will end by the end of 2024 at the latest and the 7 finalists for both categories have been known since this summer (https://csrc.nist.gov/Projects/post-quantum-cryptography/round- 3-submissions). The winners will replace the existing algorithms as soon as they are promulgated. These algorithms use new cryptographic primitives that need to be understood, evaluated and implemented right now in order to be ready when the time comes. These so-called post-quantum encryption algorithms are by construction very resistant to mathematical attacks and searching for the encryption key exhaustively is complex enough to be impractical in a short period of time. However, these algorithms are implemented on hardware supports (general purpose processors or dedicated co-processors). When used, these may be subject to other attacks known as side-channel attacks. These attacks rely on physical information such as power consumption or electromagnetic emissions to find the encryption key used in the attacked circuit and thus compromise its security. The vulnerability of pretenders to this type of attack has been demonstrated [2-4]. Therefore, It is necessary to secure the implementations of the future new cryptographic standard against this type of attack. The main objective of the thesis is to work on the security of the contenders to the new post-quantum cryptographic standard in order to have secure implementations as soon as the new standards are published and to be able to integrate them as soon as possible in the secured circuits of the market. For this, we propose the following schedule: - In a first step, the PhD student will be led to study the contenders. He will evaluate the hardware and software implementations proposed as new standards. He will identify the potential flaws highlighted in the state of the art. Thereby, he will constitute a catalogue of implementations that will serve as a basis for his work. - Then, the student will be led to carry out analyses by side-channels using the measurement benches of the SECNUM platform (digital security platform) on the implementations carried out in the first part of his work. He will identify the weaknesses of these algorithms with regard to this type of attack. - Finally, the PhD student will develop the associated countermeasures, implement them and demonstrate their robustness against side-channel attacks. As masking countermeasures are independent of the physical medium used (general purpose processor, ASIC or FPGA), this type of solution will of course be preferred. Therefore, this thesis will produce a library of secure software and hardware implementations of post-quantum encryption algorithms but also to develop new countermeasures to reinforce the current state of the art. It will be an asset for securing the world of tomorrow and will allow to be one step ahead when the winners of the competition will be announced. Then, this work should be easily promoted to the companies of the Occitan ecosystem.