Embedded lattice-based cryptography
Cryptographie basée sur les réseaux euclidiens pour les systèmes embarqués
Résumé
A quantum computer powerful enough to run Shor's algorithm could emerge and thus threaten the security provided by the currently deployed asymmetric cryptography. Such a computer can break the entire cryptography based on the hardness of integer factorization or discrete logarithm. In order to anticipate this threat, national agencies have initiated standardization processes of quantum-safe cryptography: the post-quantum cryptography. The most followed standardization by the international community is the one of the National Institute of Standards and Technology (NIST) launched in 2016. This one aims to determine the future Key Encapsulation Mechanisms (KEMs) and signatures standards. In july 2020, the third round of selection of this standardization started with seven finalists cryptosystems remaining. Among these candidates, five are based on lattice problems. Currently, lattice-based cryptography provides the best trade-off between efficiency, security and compactness.The future post-quantum standards will be deployed on several devices, like the embedded ones. These components are widely used but they are very limited in terms of memory and computing power. Moreover, they are threatened by physical attacks, which requires additional security. Therefore, implement lattice-based cryptography in such devices is a real challenge.In this thesis we focus on the deployment of lattice-based cryptography in embedded devices. More precisely, we are interested in the lattice-based cryptosystems introduced during the NIST standardization. In a first step, we optimize these schemes by re-purposing existing asymmetric coprocessors. Such optimizations are then implemented and assessed on an embedded device. In a second step, we investigate the security and the resilience of the lattice-based schemes against physical attacks. To do so, we introduce new masking countermeasures which find applications to several KEMs. Moreover, we assess the security of several implementations against fault injection orside-channel attacks.
Un ordinateur quantique suffisamment puissant pour exécuter l'algorithme de Shor pourrait voir le jour et ainsi menacer la sécurité apportée par la cryptographie asymétrique actuellement déployée. En effet, un tel ordinateur pourrait casser l'ensemble de la cryptographie dont la sécurité repose sur le problème de factorisation ou du logarithme discret. Pour anticiper une telle menace, les agences gouvernementales ont commencé des processus de standardisation de cryptosystèmes résistants à la puissance quantique: la cryptographie post-quantique. La standardisation la plus suivie par la communauté internationale est celle du National Institute of Standards and Technology (NIST) lancée en 2016. Elle a pour objectif de définir les futurs standards post-quantiques en termes de Key Encapsulation Mechanisms (KEMs) et de signatures. En Juillet 2020, cette standardisation en est à son troisième tour de sélection avec sept candidats finalistes restants. Parmi les candidats restants, cinq basent leur sécurité sur des problèmes mathématiques reliés aux réseaux euclidiens. A l'heure actuelle, les cryptosystèmes basés sur les réseaux euclidiens présentent le meilleur compromis entre efficacité, sécurité et taille des clés.Les standards ont pour objectif d'être déployés massivement et dans différents composants. Parmi eux, il y a les composants embarqués. Ces composants sont très répandus mais limités en terme de mémoire et de puissance de calcul. De plus, ils sont menacés par des attaques physiques, ce qui demande un ajout de sécurité supplémentaire. Ainsi, déployer les cryptosystèmes basés sur les réseaux euclidiens dans les composants embarqués est un véritable défi.Dans cette thèse, nous nous intéressons au déploiement des cryptosystèmes basés sur les réseaux euclidiens dans le contexte des systèmes embarqués. Plus particulièrement, ceux présents lors de la standardisation du NIST. Dans un premier temps, nous optimisons ces schémas à l'aide des coprocesseurs asymétriques existants. Les optimisations proposées sont implémentées et évaluées sur un composant embarqué. Par la suite, nous nous intéressons à la sécurisation et l'évaluation de la résilience contre les attaques physiques de ces schémas. Nous proposons ainsi des nouvelles contremesures de masquage applicables à plusieurs KEMs. De plus, nous évaluons les implémentations de certains cryptosystèmes contre des attaques par injection de fautes et des attaques par canaux auxiliaires.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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