Sécurité des Systèmes Electroniques Intégrés

Sécurité des Systèmes Electroniques Intégrés
Florent Bruguier, Pascal Benoit et Lionel Torres
LIRMM‐PôleCNFMdeMontpellier(PCM)
PolytechMontpellier,UniversitédeMontpellier,France
161rueAda,34095MontpellierCedex5
pré[email protected]
Résumé:Lessystèmessécuriséssontmaintenantomniprésentsdansnotre
environnementquotidien,ilestdonctoutnatureldes'intéresserauxmenacesquepeuvent
subirdetelssystèmes.Cetarticleprésentelesdifférentesattaquesauxquellespeutêtre
soumisuncircuitsécuriséensefocalisantplusparticulièrementsurlesplusfacilesàmettre
enœuvre:lesattaquesparcanauxcachés.Cesattaquespermettenttrèsfacilementde
retrouverlaclédechiffrementutiliséedansunsystèmeintégréenmesurant,parexemple,
saconsommationousesémissionsélectromagnétiques.
Motsclés:Cryptographie,Cryptanalyse,Attaquesparcanauxcachés,Consommation,
Emissionsélectromagnétiques
1. Introduction
Noussommesamenésquotidiennementàutiliserdessystèmesnumériques.Lescartesà
puces,lescartesvitalesouencorelespasseportsbiométriquesconstituentquelques
exemplesdesystèmesnumériquessécurisésetceuxquenousutilisonssontplusnombreux
chaquejour.Denosjours,les«objetsconnectés»sontomniprésentsetvontforcément
nécessiteruneattentiontoutparticulièrequantàlaprotectiondesdonnéesprivatives.
Ceux‐citransportentessentiellementdel'informationdontilestimportantdegarantirla
sécurité.Cetteproblématiqueentraineunintérêtgrandissantpourledomainedela
cryptologie,notammentautourdelaconceptiondessystèmesélectroniques.
Rappelonsquelacryptologie,étymologiquement"sciencedusecret",englobela
cryptographieetlacryptanalyse.Lacryptographies'attacheàprotégerlesmessagesà
traversl'écrituresecrètedeceux‐citandisquelacryptanalyseconsisteàtenterdedéchiffrer
unmessagesansenconnaitrelaclédechiffrementutilisée.Mêmesilacryptologieestunart
ancien(premièrestracesauIVsiècleavantJC),celle‐cin'estconsidéréecommeunescience
quedepuislemilieuduXX°siècleavecl'apparitiondesalgorithmesdechiffrement
modernes.
Cesalgorithmespermettentd'assurer:
‐ laconfidentialité,quigarantitquel'informationestlisibleuniquementparles
personnesautorisées;

‐ l'intégrité,quipermetdevérifierquelemessagen'apasétémanipulésans
autorisationouparerreur;
‐ l'authentification,quipermetaurécepteurdumessaged'envérifierl'origine
et/oul'identitédel'expéditeur.
L'intérêtdetoutalgorithmecryptographiqueestdetransmettreunmessageentreun
expéditeuretundestinatairesansqu'unattaquant/observateurpotentielpuisseconnaitrele
contenudumessagemêmes'ilvenaitàl'intercepter.Cesalgorithmesfonctionnentselonle
principeprésentésurlaFigure1.Lemessageàchiffrer,appelétexteclair,estchiffréàl'aide
d'uneclédechiffrementaussiappeléeclésecrète.Cetteopérationpermetd'obtenirletexte
chiffré.Celui‐ciestensuitedéchiffréparledestinataireàl'aided'uneclédedéchiffrement
afinderetrouverletexteclair.
Figure1:Principedefonctionnementd'unalgorithmedechiffrement
CommeénoncéparAugusteKerckhoffsen1883dans"Lacryptographiemilitaire",les
algorithmescryptographiquesdoiventdemeurerpubliquesetseuleslesclésdoiventrester
secrètes[1].Pourgarantirlafiabilitésécuritaired'unalgorithme,ilfautégalementquecelui‐
cisoitaupréalablevérifiépardesexperts.Autrementdit,lasécuritéd'unmessagechiffré
résideuniquementdanslesecretdelacléetnonpasdanscelledel'algorithmeutilisé.
Lorsdesopérationsdechiffrementetdéchiffrement,silacléutiliséeestidentique,
l'algorithmeestditsymétrique.Lorsquedeuxclésdifférentessontutilisées,onparlera
d'algorithmeasymétrique.
2. Lesattaques
Lesméthodesdecryptanalysequisontlesprocessusparlesquelsunattaquanttentede
retrouverlaclésecrètesontappelésattaques.Ilexistetroisgrandesfamillesd'attaques:

‐ lesattaquesstatistiquesquipermettentgrâceàdesméthodesmathématiquesde
retrouverlaclé;
‐ lesattaqueslogiciellesquitententdedéchiffrerlesprogrammescontenusdans
lescrypto‐systèmesenutilisantdesfailleslogicielles;
‐ lesattaquesmatériellesetplusparticulièrementlesattaquesditesparcanaux
cachésquiserontprésentéesplusendétailsparlasuite;
Lesattaquesmatériellesouattaquesphysiquesciblentdirectementlesupportphysiquede
l'algorithmecryptographique:lapuceélectronique.Lapuceélectronique,aussiappelée
circuitintégré,estuncomposantélectroniquepermettantdereproduireuneouplusieurs
fonctionsélectroniquesplusoumoinscomplexesdansunseulcomposant.Dansnotrecas,il
s'agitdefonctionsélectroniquespermettantderéaliserdesopérationscryptographiques
commedeschiffrementsoudedéchiffrements
Lesattaquesmatériellespeuventêtreclasséesendeuxgroupesdistincts:lesattaques
activesetlesattaquespassives.
Lesattaquesactivesconsistentàmanipulerlapuce,sesentréesousonenvironnementpour
enextrairelaclésecrète.Parexemple,pourobtenirdesinformationssurlaconceptiond'un
circuit,unattaquantpeutledécapsulergrâceàuneabrasionchimiqueouencoreune
découpelaserafind'obtenirdesinformationssurlaconceptionducircuit(Figure2).Dansla
mêmecatégoriesontrangéeslesattaquesenfaute.Cesattaquesconsistentàcréerdes
fautesdanslecircuitàl'aided'injectionlaser,d'injectionélectromagnétiqueouencoreen
faisantvariersatensiond'alimentation.Lesfautesainsiobtenuespermettentdecréerdes
erreursdanslecircuit.Ceserreursserontensuiteanalyséesetexploitéesafinderetrouverla
clésecrète.Cesattaquesnécessitentdutemps,desmoyensetdesinformationssurles
systèmesattaqués.
Figure2:Imagemicroscoped'unepuceélectroniquedécapsulée
Lesattaquespassivesouattaquesparcanauxcachésutilisentdesinformationsphysiquesdu
circuitenfonctionnementnormal.Ilpeuts'agirdutempsnécessaireaucircuitpoureffectuer
unchiffrement,desaconsommationélectriqueouencoredesesémissions
électromagnétiques,ouenencorelenombredephotonsémis.L’exploitationdeces
informationsphysiques,quel’onappellecommunément«fuites»,permetderécolterles
élémentsnécessairepourconstitueruneattaque(Figure3).Parailleurscesattaquespeu
couteuses,sontrelativementefficaces.

Figure3:Différentstypesdefuitesexploitablessuruncrypto‐système
3. Miseenplaced'uneattaqueparcanauxcachés
Afinderéaliseruneattaqueparcanauxcachés,ilestnécessairedes'intéresserdansun
premiertempsauxmodèlesdefuitesquiserontensuiteutiliséspourlancerl'attaqueet
retrouverlaclésecrète.
3.1. Modèlesdefuites
LescircuitsintégrésmodernessontréalisésentechnologieCMOS(ComplementaryMetal
OxideSemiconductor).UncircuitCMOSestcomposéd'unemultitudedecellulesstandards
réalisantdesfonctionsélémentaires.Cesfonctionsmisentboutàboutpermettentde
réaliserlesdifférentesfonctionnalitésd'uncircuitetlaconsommationd'untelcircuit
correspondàlasommedelaconsommationdechacunedecesporteslogiques.Cette
dernièrepeutêtredécomposéeendeuxparties:
‐ Laconsommationstatiquequicorrespondauxfuitesdechacundestransistors.
‐ Laconsommationdynamiquequicorrespondàlaconsommationdestransistorslors
deleurscommutations.
Laconsommationdynamiquedépenddel'activitéducircuit.Cetteactivitéestdirectement
liéeàlacommutationdestransistors:plusdetransistorscommutentetpluscette
consommationestélevée.Ilestdoncpossibled'établirunerelationentrelenombrede
transistorsquicommutentetlaconsommationducircuit.C'estcetterelationquiestutilisée
commemodèledefuitespourattaquerlecircuitettrouverlaclédechiffrement.
Deplus,lorsqueuncouranttraverseunconducteur,unrayonnementélectromagnétiqueest
créé.Eneffet,lorsdeschangementsd'étatdestransistors,unappeldecourantalieu
générantunevariationduchampélectromagnétique[2].L'analysedecesémissions
présentedeuxavantagesparrapportàlamesureducourant:
‐ Lesémissionsélectromagnétiquesdépendentuniquementdesvariationsde
consommationetdoncdelaconsommationdynamiqueducircuit.
‐ Cesémissionssontlocaliséesetilestpossibledevenirlesmesurerenunpointprécis
ducircuit.

C'estcemodèledefuitesbasésurlesémissionsélectromagnétiquesquiserautilisépour
illustrerleprincipedesattaquesparcanauxcachés.
3.2. Algorithmedechiffrement
Afind'illustrernotreexemple,nousnousappuieronssurl'utilisationdel'AES(Advanced
EncryptionStandard)[3].Cetalgorithmesymétriqueestnotammentutilisédansles
transactionsbancairesmaisaussilorsduchiffrementdecertainescommunicationssur
internet.
Figure4:Fonctionnementdel'algorithmeAES
Ilpermetdechiffrerunmessageclairparpaquetsde128bitsàl'aided'uneclésecrète
de128bits.Lemessageclairestsoumisàquatreopérationssuccessivesréaliséesplusieurs
foisensuivantunschémadéfiniàl'avance(Figure4).Cesopérationsontpournoms:
AddRoundKey,SubBytes,ShiftRowetMixColumn.
Cesquatreopérationssontrépétéesdixfois.Chacunedecesitérationsestappelée
Round.LesneufpremiersRoundssontidentiquestandisqueledernierestpluscourt
(absencedel'opérationMixColumn).
L'objectifn'estpasicidedétaillerprécisémentlefonctionnementdel'algorithmemais
d'enprésenterlesgrandeslignes.Onseréfèreradoncàlalittératurepourplusdedétails.
Rappelonscependantquel’AES,reposesurunprincipedepermutationetsubstitutionsde
caractèrespermettantderéaliserlechiffrement.