Contribution to securing code-based cryptography against side-channel attacks
Contribution à la sécurisation des implémentations cryptographiques basées sur les codes correcteurs d'erreurs face aux attaques par canaux auxiliaires
Résumé
Side-channel attacks are a threat for cryptographic security, including post-quantum cryptography (PQC) such as code-based cryptography. In order to twarth these attacks, it is necessary to identify vulnerabilities in implementations. In this thesis, we present three attacks against Hamming Quasi-Cyclic (HQC) scheme, a candidate in the NIST PQC standardization contest for the standardization of post-quantum schemes, along with countermeasures to protect against these attacks. The concatenated code structure of the publickly known HQC’s gives several targets for side-channel attacks. Firstly, we introduce a chosen ciphertext attack targeting HQC outer code, aiming at recovering the secret key. The physical behavior of the fast Hadamard transform (FHT), used during the Reed-Muller decoding step, allows to retrieve the secret key with less than 20,000 physical measurements of the decoding process. Next, we developed a theoretical attack against the inner code to recover the shared key at the end of the protocol. This attack targets the Reed-Solomon code and more specifically the physical leaks during the execution of a Galois field multiplication. These leaks, combined with a Correlation Power Analysis (CPA) strategy, allows us to show that the security of HQC shared key could be reduced from 2^128 to 2^96 operations with the knowledge of a single physical measurement. Finally, we used Belief Propagation tools to improve our attack and make it practically executable. This new approach allows us to practically recover HQC shared key within minutes for all security levels. These efforts also demonstrated that known state-of-the-art countermeasures are not effective against our attack. In order to twarth these attacks, we present maksing and shuffling countermeasures for the implementation of sensitive operations which manipulate secret data.
Les attaques par canaux auxiliaires sont des attaques pouvant nuire à la sécurité de schémas cryptographiques parmi lesquels les schémas post-quantiques, résistantes aux attaques connues des ordinateurs quantique, dont la cryptographie basée sur les codes correcteurs d'erreurs fait partie. Afin de se protéger au mieux contre ces attaques, il est nécessaire d'identifier les vulnérabilités présentes dans les implémentations afin de les protéger. Dans cette thèse, nous présentons trois attaques contre le schéma Hamming Quasi-Cyclic (HQC), candidat au concours du NIST pour la standardisation de schémas post-quantiques, ainsi que des contre-mesures permettant de se protéger contre ces attaques. La structure concaténée du code publique de HQC, c’est-à-dire avec deux codes imbriqués, offre plusieurs vecteurs d’attaques. Dans un premier temps, nous présentons une attaque par chiffrés choisis, visant le code externe de HQC, dans le but de retrouver la clef secrète du schéma. L’analyse du comportement physique de transformée rapide d’Hadamard, utilisée dans le décodage des codes de Reed-Muller, nous permet de retrouver la clef secrète en moins de 20 000 mesures physiques du décodage. Ensuite, nous avons construit une attaque théorique contre le code interne afin de retrouver la clef partagée à l’issue du protocole. Cette attaque vise les codes de Reed-Solomon et plus particulièrement les fuites physiques pendant l’exécution de la multiplication dans un corps de Galois. L’analyse de ces fuites, combiné avec une attaque de type CPA (Correlation Power Analysis) nous a permis de montrer que la sécurité de clef partagée de HQC pouvait être réduite de 2^128 à 2^96 opérations avec l’analyse d’une unique mesure physique. Enfin, nous avons utilisé des outils issus de la théorie de la propagation de croyance afin d’améliorer la précédente attaque et de pouvoir la réaliser en pratique. Cette nouvelle approche permet de retrouver en pratique la clef partagée de HQC, en quelques minutes et pour tous les niveaux de sécurité. Ces travaux nous ont aussi permis de montrer que des contre-mesures connues de l’état de l’art ne sont pas efficaces. Pour contrer ces attaques, nous proposons des contre-mesures au niveau de l’implémentation des opérations sensibles basées soit sur du masquage, soit sur un mélange des données manipulées.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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