Protecting symmetric encryption devices against multiple fault injections
Protection des dispositifs de chiffrement symétriques contre les injections multiples de fautes
Résumé
Fault injection attacks are one of the main threats to encryption algorithms embedded in hardware targets. These attacks are based on fault injections, carried out using physical threats, which disrupt the operation of the encryption. These injections, coupled with analyses of the disruptions caused, can enable an adversary to recover information from the system. Several defense solutions against these attacks already exist, based mainly on redundancy applied to the encryption, to prevent the adversary from disrupting the operation without being detected. However, in the context of lightweight cryptography, these countermeasures are costly to implement. This thesis will continue the study of these countermeasures against fault injections, by taking a stand on countermeasures applied at the level of the cryptographic primitive, in order to make these solutions generalizable to all implementations, with a focus on the additional cost generated by these countermeasures. Firstly, an improvement to a countermeasure based on the principle of code abiding is proposed. This countermeasure, based on an error detection code, is generalized with an example to show how it can be applied to any encryption algorithm. Next, a substitution box classification method (used for the non-linear layer of block ciphers) is introduced. This method, based on equivalence relations, will enable a cryptographic primitive designer to optimize his choice of S-box, maintaining good cryptographic properties while reducing the hardware implementation cost of the S-box. Finally, a brand new countermeasure designed to counter analyses based on persistent fault injections on the S-box of an encryption is presented. This countermeasure, which focuses on the permutation properties of a substitution box, enables 100% detection of faults that could be exploited by an attacker seeking to apply a persistent fault analysis proposed in the literature. A physical implementation proposal is also given to limit the extra cost generated by this countermeasure while maintaining a high level of security.
Les attaques par injection de fautes font partie des principales menaces contre les algorithmes de chiffrement embarqués sur des cibles matérielles. Ces attaques sont basées sur des injections de fautes, réalisées grâce à des menaces physiques, qui vont perturber le fonctionnement du chiffrement. Ces injections, couplées à des analyses sur les perturbations engendrées, peuvent permettre à un adversaire de récupérer des informations sur le système. Plusieurs solutions de défense contre ces attaques existent déjà, se basant principalement sur une redondance appliquée au chiffrement, afin d'empêcher l'adversaire de perturber le fonctionnement sans être détecté. Néanmoins, dans un contexte de cryptographie légère, ces contremesures sont coûteuses à mettre en place. Cette thèse va continuer l'étude de ces contremesures face aux injections de fautes, en se positionnant sur des contremesures appliquées au niveau de la primitive cryptographique, afin de rendre ces solutions généralisables à toutes les implémentations, avec pour trame de fond le surcoût engendré par ces contremesures. En premier lieu, une amélioration d'une contremesure basée sur le principe de respect du code est proposée. Cette contremesure, basée sur un code détecteur d'erreur, est généralisée avec un exemple pour montrer comment elle peut être appliquée à tout algorithme de chiffrement. Ensuite, une méthode de classification des boîtes de substitution (utilisée pour la couche non linéaire des algorithmes de chiffrement par blocs) est introduite. Cette méthode, basée sur des relations d'équivalence, va permettre à un concepteur de primitive cryptographique d'optimiser son choix de S-box, en maintenant de bonnes propriétés cryptographiques tout en réduisant le coût d'implémentation matérielle de la S-box. Enfin, une toute nouvelle contremesure dédiée à contrer les analyses basées sur les injections de fautes persistantes sur la S-box d'un chiffrement est présentée. Cette contremesure, concentrée sur les propriétés de permutation d'une boîte de substitution, permet de détecter 100% des fautes exploitables pour un attaquant cherchant à appliquer une analyse de fautes persistantes proposée dans la littérature. Une proposition d'implémentation physique est également donnée pour limiter le surcoût engendré par cette contremesure tout en maintenant un haut niveau de sécurité.
Domaines
Informatique| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|