Méthodologie de conception de composants intégrés protégés contre les attaques par corrélation, A design methodology for integrated components protected from correlation attacks

Selma Laabidi

Description

Sous la direction de Philippe Collot
Thèse soutenue le 19 janvier 2010: Ecole nationale supérieure des mines - Saint-Etienne
Les circuits cryptographiques, parce qu'ils contiennent des informations confidentielles, font l'objet de manipulations frauduleuses, appelées communément attaques, de la part de personnes mal intentionnées. Plusieurs attaques ont été répertoriées et analysées. Parmi elles, les attaques DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behavior Analysis) et les attaques en probing forment la classe des attaques par corrélation et sont considérés comme les plus redoutables car elles permettent de retrouver, à moindre coût, les clefs de chiffrement des algorithmes cryptographiques. Les concepteurs de circuits sécurisés ont été donc amené à ajouter des parades, appelées contre-mesures, afin de protéger les circuits de ces attaques. Ces contremesures doivent impacter au minimum les performances et le coût du circuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux attaques par corrélation, le principe de ces attaques est décrit ainsi que les principales contre-mesures pour y parer. Un formalisme décrivant de manière unique ces attaques est aussi proposé. Dans un deuxième temps, nous étudions les outils d'évaluation sécuritaires qui permettent d'estimer la résistance des circuits intégrés face aux attaques par corrélation. Après un état de l'art sur les outils existants, nous décrivons notre outil basé sur une recherche de corrélations entre le modèle du concepteur et le modèle qui peut être prédit par un attaquant. L'analyse de corrélations permet de déterminer les bits les plus sensibles pour mener à bien une attaque. Cet outil est intégré dans le flot de conception permettant ainsi d'évaluer la résistance des algorithmes cryptographiques au niveau RTL (Register Transfer Level) et portes.
-algorithmes cryptographiques
-attaques
-DPA (Differential Power Analysis)
-sécurité
-corrélation
-flot de conception
The cryptographic circuits, because they contain confidential information, are subject to fraudulent manipulations called attacks from malicious people. Several attacks have been identified and analyzed. Among them DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behaviour Analysis) and probing attacks form the class of correlation attacks and are considered as the most dangerous because they allow to retrieve, at lower cost, secret keys of cryptographic algorithms. Designers of secure circuits have thus added counter-measures to protect their circuits from these attacks. Counter-measures overhead got to have a minimum of impact on circuit’s cost and performances. In this thesis, we first focus on correlation attacks; the principle of these attacks is described as well as the main counter-measures to address them. A formalism describing these attacks is also proposed. Second, we study the safe evaluation tools to estimate the resistance of integrated circuits towards correlation attacks. After a state of the art on the existing tools, we describe our tool based on a search of correlations between the designer's model and the model which can be predicted by an attacker. The analysis of the correlations determines the most sensitive bits to complete an attack. This tool is integrated into the design flow to asses the strength of cryptographic algorithms at RTL (Register Transfer Level) and gate levels. An application of our flow on several models of the algorithm AES (Advanced Encryption Standard) with and without counter-measures is proposed. The obtained results have demonstrated the effectiveness of our technique.Les circuits cryptographiques, parce qu'ils contiennent des informations confidentielles, font l'objet de manipulations frauduleuses, appelées communément attaques, de la part de personnes mal intentionnées. Plusieurs attaques ont été répertoriées et analysées. Parmi elles, les attaques DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behavior Analysis) et les attaques en probing forment la classe des attaques par corrélation et sont considérés comme les plus redoutables car elles permettent de retrouver, à moindre coût, les clefs de chiffrement des algorithmes cryptographiques. Les concepteurs de circuits sécurisés ont été donc amené à ajouter des parades, appelées contre-mesures, afin de protéger les circuits de ces attaques. Ces contremesures doivent impacter au minimum les performances et le coût du circuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux attaques par corrélation, le principe de ces attaques est décrit ainsi que les principales contre-mesures pour y parer. Un formalisme décrivant de manière unique ces attaques est aussi proposé. Dans un deuxième temps, nous étudions les outils d'évaluation sécuritaires qui permettent d'estimer la résistance des circuits intégrés face aux attaques par corrélation. Après un état de l'art sur les outils existants, nous décrivons notre outil basé sur une recherche de corrélations entre le modèle du concepteur et le modèle qui peut être prédit par un attaquant. L'analyse de corrélations permet de déterminer les bits les plus sensibles pour mener à bien une attaque. Cet outil est intégré dans le flot de conception permettant ainsi d'évaluer la résistance des algorithmes cryptographiques au niveau RTL (Register Transfer Level) et portes.
-cryptographic algorithms
-attacks
-DPA (Differential Power Analysis)
-security
-correlation
-design flow
Source: http://www.theses.fr/2010EMSE0562/document

Sujets

• Sécurité
• Corrélation
• Flot de conception

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 53
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

N° d’ordre : 2010 EMSE 0562

THÈSE
présentée par

Selma LAABIDI

pour obtenir le grade de
Docteur de l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
Spécialité : Microélectronique

Méthodologie de conception de composants intégrés protégés contre les
attaques par corrélation




soutenue à Gardanne, le 19 Janvier 2010

Membres du jury


Rapporteurs : David NACCACHE Professeur, Ecole Normale Supérieure, Paris
Lionel TORRES Professeur, LIRMM, Montpellier
Examinateur(s) : Pierre PARADINAS Professeur, CNAM, Paris
Philippe MAURINE Chargé de recherche, LIRMM, Montpellier
Nathalie FEYT Ingénieur, CESTI/CEACI (Thales), Toulouse
Assia TRIA Ingénieur chercheur, CEA/ENSMSE, Gardanne
Bruno ROBISSON Ingénieur chercheur, CEA/ENSMSE, Gardanne
Directeur(s) de thèse : Philippe COLLOT Professeur, ENSMSE, Gardanne


tel-00488013, version 1 - 31 May 2010Spécialités doctorales : Responsables :
SCIENCES ET GENIE DES MATERIAUX J. DRIVER Directeur de recherche – Centre SMS
MECANIQUE ET INGENIERIE A. VAUTRIN Professeur – Centre SMS
GENIE DES PROCEDES G. THOMAS Professeur – Centre SPIN
SCIENCES DE LA TERRE B. GUY Maître de recherche – Centre SPIN
SCIENCES ET GENIE DE L’ENVIRONNEMENT J. BOURGOIS Professeur – Centre SITE
MATHEMATIQUES APPLIQUEES E. TOUBOUL Ingénieur – Centre G2I
INFORMATIQUE O. BOISSIER Professeur – Centre G2I
IMAGE, VISION, SIGNAL JC. PINOLI Professeur – Centre CIS
GENIE INDUSTRIEL P. BURLAT Professeur – Centre G2I
MICROELECTRONIQUE Ph. COLLOT Professeur – Centre CMP

Enseignants-chercheurs et chercheurs autorisés à diriger des thèses de doctorat (titulaires d’un doctorat d’État ou d’une HDR)
AVRIL Stéphane MA Mécanique & Ingénierie CIS
Mireille MA Sciences & Génie de l'Environnement SITE BATTON-HUBERT
BENABEN Patrick PR 2 Sciences & Génie des Matériaux CMP
BERNACHE-ASSOLANT Didier PR 0 Génie des Procédés CIS
BIGOT Jean-Pierre MR Génie des Procédés SPIN
BILAL Essaïd DR Sciences de la Terre SPIN
BOISSIER Olivier PR 2 Informatique G2I
BOUCHER Xavier MA Génie Industriel G2I
BOUDAREL Marie-Reine MA Génie Industriel DF
BOURGOIS Jacques PR 0 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BRODHAG Christian MR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BURLAT Patrick PR 2 Génie industriel G2I
COLLOT Philippe PR 1 Microélectronique CMP
COURNIL Michel PR 0 Génie des Procédés SPIN
DAUZERE-PERES Stéphane PR 1 Génie industriel CMP
DARRIEULAT Michel ICM Sciences & Génie des Matériaux SMS
Roland PR 1 Sciences & Génie de l'Environnement SITE DECHOMETS
DESRAYAUD Christophe MA Mécanique & Ingénierie SMS
DELAFOSSE David PR 1 Sciences & Génie des Matériaux SMS
DOLGUI Alexandre PR 1 Génie Industriel G2I
DRAPIER Sylvain PR 2 Mécanique & Ingénierie SMS
DRIVER Julian DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
FEILLET Dominique PR 2 Génie Industriel CMP
FOREST Bernard PR 1 Sciences & Génie des Matériaux CIS
FORMISYN Pascal PR 1 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
FORTUNIER Roland PR 1 Sciences & Génie des Matériaux SMS
FRACZKIEWICZ Anna DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
GARCIA Daniel CR Génie des Procédés SPIN
GIRARDOT Jean-Jacques MR Informatique G2I
GOEURIOT Dominique MR Sciences & Génie des Matériaux SMS
GOEURIOT Patrice MR Sciences & Génie des Matériaux SMS
GRAILLOT Didier DR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
GROSSEAU Philippe MR Génie des Procédés SPIN
GRUY Frédéric MR Génie des Procédés SPIN
GUILHOT Bernard DR Génie des Procédés CIS
GUY Bernard MR Sciences de la Terre SPIN
GUYONNET René DR Génie des Procédés SPIN
HERRI Jean-Michel PR 2 Génie des Procédés SPIN
INAL Karim MR Microélectronique CMP
KLÖCKER Helmut MR Sciences & Génie des Matériaux SMS
LAFOREST Valérie CR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
LERICHE Rodolphe CR Mécanique et Ingénierie SMS
LI Jean-Michel EC (CCI MP) Microélectronique CMP
LONDICHE Henry MR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
MOLIMARD Jérôme MA Mécanique et Ingénierie SMS
MONTHEILLET Frank DR 1 CNRS Sciences & Génie des Matériaux SMS
PERIER-CAMBY Laurent PR1 Génie des Procédés SPIN
PIJOLAT Christophe PR 1 Génie des Procédés SPIN
PIJOLAT Michèle PR 1 Génie des Procédés SPIN
PINOLI Jean-Charles PR 1 Image, Vision, Signal CIS
STOLARZ Jacques CR Sciences & Génie des Matériaux SMS
SZAFNICKI Konrad CR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
THOMAS Gérard PR 0 Génie des Procédés SPIN
VALDIVIESO François MA Sciences & Génie des Matériaux SMS
VAUTRIN Alain PR 0 Mécanique & Ingénierie SMS
VIRICELLE Jean-Paul MR Génie des procédés SPIN
WOLSKI Krzysztof CR Sciences & Génie des Matériaux SMS
XIE Xiaolan PR 1 Génie industriel CIS

Glossaire : Centres :
PR 0 Professeur classe exceptionnelle SMS Sciences des Matériaux et des Structures
ère
PR 1 Professeur 1 catégorie SPIN Sciences des Processus Industriels et Naturels
ème
PR 2 Professeur 2 catégorie SITE Sciences Information et Technologies pour l’Environnement
MA(MDC) Maître assistant G2I Génie Industriel et Informatique
DR (DR1) Directeur de recherche CMP Centre de Microélectronique de Provence
Ing. Ingénieur CIS Centre Ingénierie et Santé
MR(DR2) Maître de recherche
CR Chargé de recherche
EC Enseignant-chercheur
ICM Ingénieur en chef des mines
Dernière mise à jour le : 22 juin 2009
tel-00488013, version 1 - 31 May 2010École Nationale Supérieure des Mines
de Saint-Étienne

N° d’ordre : 2010 EMSE 0562

Selma LAABIDI

A DESIGN METHODOLOGY FOR INTEGRATED COMPONENTS
PROTECTED FROM CORRELATION ATTACKS

Speciality: Microelectronics

Keywords: cryptographic algorithms, attacks, DPA (Differential Power Analysis), security,
correlation, design flow

Abstract:

The cryptographic circuits, because they contain confidential information, are subject to
fraudulent manipulations called attacks from malicious people. Several attacks have been
identified and analyzed. Among them DPA (Differential Power Analysis), DEMA
(Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behaviour Analysis) and probing
attacks form the class of correlation attacks and are considered as the most dangerous because
they allow to retrieve, at lower cost, secret keys of cryptographic algorithms. Designers of
secure circuits have thus added counter-measures to protect their circuits from these attacks.
Counter-measures overhead got to have a minimum of impact on circuit’s cost and
performances.
In this thesis, we first focus on correlation attacks; the principle of these attacks is described
as well as the main counter-measures to address them. A formalism describing these attacks
is also proposed. Second, we study the safe evaluation tools to estimate the resistance of
integrated circuits towards correlation attacks. After a state of the art on the existing tools, we
describe our tool based on a search of correlations between the designer's model and the
model which can be predicted by an attacker. The analysis of the correlations determines the
most sensitive bits to complete an attack. This tool is integrated into the design flow to asses
the strength of cryptographic algorithms at RTL (Register Transfer Level) and gate levels.
An application of our flow on several models of the algorithm AES (Advanced Encryption
Standard) with and without counter-measures is proposed. The obtained results have
demonstrated the effectiveness of our technique.
tel-00488013, version 1 - 31 May 2010École Nationale Supérieure des Mines
de Saint-Étienne

N° d’ordre : 2010 EMSE 0562

Selma LAABIDI

METHODOLOGIE DE CONCEPTION DE COMPOSANTS INTEGRES
PROTEGES CONTRE LES ATTAQUES PAR CORRELATION

Spécialité: Microélectronique

Mots clefs : algorithmes cryptographiques, attaques, DPA (Differential Power Analysis),
sécurité, corrélation, flot de conception

Résumé :

Les circuits cryptographiques, parce qu'ils contiennent des informations confidentielles, font
l'objet de manipulations frauduleuses, appelées communément attaques, de la part de
personnes mal intentionnées. Plusieurs attaques ont été r