Vers une analyse à l'échelle du système de la sécurité des systèmes embarqués

This thesis is dedicated to the improvement of dynamic analysis techniques allowing the verification of software designed for embedded systems, commonly called firmware. It is clear that the increasing pervasiveness and connectivity of embedded devices significantly increase their exposure to attacks. The consequences of a security issue can be dramatic not least in the economical field, but on the technical stage as well. Especially because of the difficulty to patch some devices. For instance, offline devices or code stored in a mask rom which are read only memory programmed during the chip fabrication. For all these reasons, it is important to thoughtfully test firmware program before the manufacturing process. This thesis presents analysis methods for system-wide testing of security and hardware components. In particular, we propose three impvrovements for partial emulation. First, Inception a dynamic analysis tool to test the security of firmware programs even when mixing different level of semantic (e.g., C/C++ mixed with assembly). Second, Steroids a high performance USB 3.0 probe that aims at minimizing the latency between the analyzer and the real device. Finally, HardSnap a hardware snapshotting method that offers higher visibility and control over the hardware peripherals. It enables testing concurently different execution paths without corrupting the hardware peripherals state.Cette thèse se consacre à l'amélioration des techniques d'analyse dynamiques permettant la vérification de logiciels conçus pour des systèmes embarqués, couramment appelé micrologiciel. Au vu de l'augmentation significative de la connectivité des appareils électroniques, les préoccupations concernant leur sécurité s'intensifient. Les conséquences d'une faille de sécurité sur ces appareils peuvent impliquer des répercussions économiques non négligeables et des difficultés techniques importantes pour appliquer un correctif. C’est le cas notamment des amorceurs de code qui sont généralement stockés sur des mémoires mortes et intégrées dans les couches physiques qui constituent le microcontrôleur. Par conséquent, l’analyse de code source spécifique aux systèmes embarqués pendant la phase de production des micro-contrôleurs est cruciale. Cette thèse présente des techniques d'analyse afin de tester la sécurité de composants logiciel et matériel à l'échelle du système. En particulier, nous nous intéressons aux techniques de test basé sur l'émulation partielle dont nous améliorons les capacités avec trois nouvelles approches. Premièrement, Inception un outil d’analyse dynamique permettant d’appliquer des méthodes de tests exhaustifs (exécution symbolique) sur le code source de micrologiciel même lorsque ce dernier dépend de code plus bas niveau (exemple, code binaire ou assembleur). Deuxièmement, une sonde haute performance basé sur le protocol USB 3.0 afin de réduire la latence lors des communications entre l'outil d'analyse et le vrai matériel. Troisièmement, HardSnap une méthode permettant de générer des instantanés des périphériques matériel afin d'augmenter le contrôle et la visibilité lors de l'exécution symbolique. Cet outil permet de réaliser une exploration concurrente de plusieurs chemins d'exécution sans inconsistance