Wavelets for side-channel analysis

Dans le cadre de l'évaluation de la sécurité de systèmes d'informations, des évaluateurs réalisent des attaques sur des algorithmes cryptographiques implémentés sur des composants sécurisés afin d'évaluer leur vulnérabilité face aux fuites d'information sensible. Dans notre cas, nous nous intéressons aux attaques par canaux-cachés, qui consistent à récupérer de l'information (la valeur d'une clé de chiffrement par exemple) en analysant des signaux de consommation électrique ou de rayonnement électromagnétique. Le modèle de fuite est généralement inaccessible et difficile à estimer. De plus, l'évaluateur doit prendre en compte les différentes conditions dans laquelle l'attaque peut être effectuée et chercher la meilleure attaque afin d'anticiper les attaquants. Enfin, le fabricant du composant peut installer des contre-mesures, qui peuvent se traduire par une modification de la structure algorithmique du logiciel ou par une altération physique du composant. Ainsi l'évaluateur doit constamment chercher de nouvelles attaques afin de pouvoir traiter des signaux de plus en plus complexes, bruités et désynchronisés. Actuellement les méthodes pour exploiter ces signaux et extraire des éléments secrets reposent usuellement sur l'analyse et l'exploitation du signal dans le domaine temporel. Or, l'analyse dans un espace temps-fréquence permet en général d'identifier plus facilement les motifs liés aux instructions algorithmiques et l'influence des contre-mesures. En particulier, les transformées en ondelettes permettent d'avoir une analyse fine des signaux et d'identifier dans l'espace temps-fréquence les différents événements liés à l'algorithme de chiffrement. L'objectif de cette thèse est de développer de nouvelles méthodes d'attaques basées sur les transformées en ondelettes. En particulier, nous nous focaliserons sur le traitement de la désynchronisation des signaux. Nous commencerons avec la présentation d'outils d'analyse en ondelettes permettant la visualisation et l'extraction des motifs présents dans les signaux et liés aux opérations algorithmiques. Ces motifs pourront être transformés en filtres adaptés pour une méthode simple de réalignement. Ensuite, nous étudions l'estimation de trames d'ondelettes adaptées aux motifs. En l'absence de propriétés analytiques dans les signaux pouvant motiver un choix particulier de famille d'ondelettes, nous emploierons la super famille des ondelettes de Morse généralisées. La trame apprise sera ensuite utilisée pour effectuer des attaques. Dans un deuxième temps, nous laisserons momentanément les approches se basant sur des techniques de réalignement pour étudier la transformation en scattering qui permet de réduire directement des bruits de désynchronisation et de déformations dans les signaux. La méthode proposée sera couplée avec une méthode d'ensemble pour l'approximation du modèle de fuite des informations sensibles. Enfin, dans un dernier chapitre, nous établirons un modèle statistique génératif pour les signaux par canaux cachés, construit de manière à prendre en compte la partie algorithmique, les phénomènes de désynchronisation et la génération de motifs via une trame d'ondelettes. Il sera utilisé pour la génération de signaux par canaux-cachés et on en déduira une méthode d'estimation des temps d'apparition des opérations pour le réalignement.In the context of the security assessment of electronic devices, evaluatorscan perform attacks on cryptographic algorithm implemented in securecryptoprocessor. In our case, we are interested in side-channel attacks whichuse electrical consumption or electromagnetic signals from the device torecover sensitive information such as cryptographic keys. The leakage model,which depends on the software and on the device, is generally not accessibleand difficult to compute. Moreover, the evaluators also have to take intoaccount the various conditions in which the attacks could in theory beperformed and look for the best attack to anticipate attackers. Last but notleast, the manufacturers can add countermeasures which will have an impacteither on the hardware itself or the algorithm. Consequently, the evaluatorshave to continuously improve their attack methods in order to deal withcomplex, noisy and desynchronized signals. Actual attack methods analyzesignals in the temporal domain to recover sensitive information. But theanalysis in the time-frequency domain usually presents better capabilities foridentifying patterns linked with the algorithm instructions. In particular,wavelet transforms provide detailed time-frequency (time-scale) maps that canbe used to recover the different events linked with the cryptographicalgorithm. More generally, the goal of this thesis is to develop new attackmethods based on wavelet transforms. We will focus our approach on thetreatment of jitter effects in side-channel signals.We start by presenting some tools of wavelet analysis for the visualizationand extraction of patterns linked to algorithmic operations. Afterresynthesis in the time domain, these patterns are used as adapted filters ina simple realignment method. Next, we study the estimation of wavelet framesadapted to patterns. Without analytical properties in the signals that couldhelp in the choice of a particular wavelet family, we drive the estimation inthe superfamily of Generalized Morse Wavelets. The learned frame is then usedto carry out side-channel attacks. We also study, in a subsequent work, a moredirect approach that does not rely on a prior realignment of signals, for thiswe use the scattering transform to reduce the effect of jitter countermeasuresin side-channel signals. Along with the proposed preprocessing, we study anensemble method for the approximation of a leakage model. In a last work, webuild a generative statistical model for side-channel signals. We take intoaccount a model of the algorithm, of the jitter countermeasure and of patterngeneration through wavelet frames. It will be used for the generation ofartificial side-channels signals and for the estimation of the time ofoccurrence of algorithmic operations useful for the realignment