Analyse Sécuritaire des Émanations Électromagnétiques des Circuits Intégrés

Le developpement de la societe de l'information et de la monnaie virtuelle, a souleve de nouveaux problemes aux communautes de la securite et du circuit integre, faisant devenir la cryptologie un outil incontournable permettant de repondre aux exigences securitaires telles que l'identification, l'authentification ou la confidentialite. L'integration des primitives cryptographiques dans differents dispositifs electroniques est largement repandue aujourd'hui dans le domaine des communications, des services financiers, des services gouvernementaux ou de la PayTV. Au premier rang de ces dispositifs, figure la carte a puce. D'apres un rapport publie en aout 2010, IMS Research prevoit que le marche de la carte a puce atteindra les 5.8 milliards d'unites vendues en fin d'annee. La grande majorite est utilisee dans les telecommunications (carte SIM) et les services bancaires. La carte a puce incorpore un circuit integre qui peut etre, soit un processeur dedie aux calculs cryptographiques, soit seulement de la memoire non-volatile ou les deux. Ces circuits integres manipulent et contiennent donc des secrets comme les clefs secretes ou privees utilisees par les algorithmes de cryptographie symetriques ou asymetriques. Ces clefs doivent donc, rester absolument confidentielles et integres afin de garantir la chaine de securite. Par consequent la robustesse des cartes a puces aux attaques cryptographiques est cruciale. En effet, les attaques sur les circuits integres sont aujourd'hui tres performantes. Elles peuvent etre classees selon trois grandes familles : invasives, semi-invasives et non-invasives. 1- Les attaques invasives sont des attaques menees en general par des experts et requierent du materiel specifique. 2- Les attaques semi-invasives, famille d'attaques recemment introduite par l'equipe de Ross Anderson, dont le principe est de decapsuler le package contenant le circuit, afin de se positionner le plus proche possible de la surface, sans pour autant en deteriorer les fonctionnalites. 3- Les attaques non-invasives ne necessitent aucune preparation prealable du dispositif soumis aux attaques. Elles consistent a espionner les phenomenes physiques engendres par la manipulation des donnees et notamment les clefs secretes. Les attaques non-invasives peuvent etre considerees comme les plus dangereuses, dans la mesure ou ce type d'attaque peut etre realise sans contact avec le circuit. En effet, pendant l'utilisation d'appareils electroniques, les circuits qui les composent sont soumis a des variations de courant et de tension. Ces variations generent des ondes electromagnetiques qui se propagent dans le voisinage du circuit. Ces emanations presentent une correlation avec des informations censees etre stockees dans la puce de facon securisee (exemple: la clef secrete d'une carte bancaire utilisee pour l'authentification). Plusieurs attaques dites par canaux auxiliaires, et basees sur ces fuites electromagnetiques ont ete publiees par la communaute scientifique ces dernieres annees. Cette these a pour objectifs: (a) comprendre les differentes sources des emanations electromagnetiques des circuits integres, et de proposer un flot d'attaque electromagnetique localisee et en champ proche afin de tester la robustesse d'un circuit cryptographique contre les attaques et analyses utilisant le canal electromagnetique, et (b) proposer des contre-mesures afin de contrecarrer ces attaques par analyse de champ electromagnetique. Afin d'atteindre ces objectifs, nous presentons, dans un premier temps, une technique efficace nommee WGMSI (Weighted Global Magnitude Squared Incoherence) pour localiser les positions, au-dessus du circuit cryptographique, qui generent les emanations electromagnetiques les plus dependantes des donnees secretes. Dans un deuxieme temps la WGMSI est utilisee aussi pour ameliorer la stabilite et la convergence des differentes attaques electromagnetiques proposees dans la litterature. La suite de la these decrit les differentes contre-mesures aux attaques par canaux auxiliaires. En effet, face a ces techniques d'attaques evoluees, il est primordial, de rendre les fonctions cryptographiques implantees dans les circuits integres pour la securite (confidentialite, authentification, integrite . ), inattaquables en un temps raisonnable et ceci meme en manipulant des sous-clefs dans des chiffrements par blocs. Pour cela, on se focalisera principalement aux contre-mesures basees sur des logiques differentielles et dynamiques. Ces contre-mesures sont dites par conception, puisqu'elles se situent au niveau des portes logiques qui sont considerees comme les elements de base pour la conception d'un circuit integre. Ceci permet une certaine independance des algorithmes cryptographiques vis a vis de l'architecture ou de la technologie considerees. Parmi les differentes logiques differentielles et dynamiques, on s'interessera plus specifiquement a la logique STTL (Secure Triple Track logic) qui peut etre consideree comme une amelioration de la logique double rail, dans la mesure ou un troisieme rail est ajoute afin de contrecarrer la faiblesse principale de la logique double rail, a savoir l'evaluation anticipee. Enfin, nous presenterons un flot d'implementation sur FPGA de la logique STTL prouvee robuste aux attaques par analyse de courant, et nous implementerons un prototype de DES STTL afin de tester sa robustesse aux attaques electromagnetiques localisees en champ proche.