Processus sécurisés de dématérialisation de cartes sans contact

Au fil des années, la technologie sans contact NFC s'est imposée dans notre quotidien au travers des différents services proposés. Les cas d'utilisation sont nombreux allant des cartes de fidélité, des cartes de transport, des cartes de paiement sans contact jusqu'aux cartes de contrôle d'accès. Cependant, les premières générations des cartes NFC ont une sécurité minimale reposant sur l'hypothèse de leur non-clonabilité. De multiples vulnérabilités ont été découvertes et leur exploitation a permis des copies frauduleuses. Afin de remédier à ces vulnérabilités, une nouvelle génération de cartes à la sécurité augmentée a vu le jour. Ces cartes permettent une authentification avec un lecteur basée sur des algorithmes de chiffrements symétriques tels qu'AES, DES, et 3DES. Elles sont plus robustes que la première génération mais ont subi des également une attaque en reverse-engineering. Pour garantir et améliorer le niveau de sécurité du système de contrôle d'accès, nous proposons dans le cadre de l'opération neOCampus, la dématérialisation sécurisée de la carte sans contact sur un smartphone muni de la technologie NFC. Cette dématérialisation nous permet d'exploiter la puissance de calcul et la capacité de stockage du smartphone afin de déployer des algorithmes d'authentification plus robustes. Cependant, l'OS du smartphone ne peut être considéré comme un environnement de confiance. Afin de répondre à la problématique du stockage et du traitement sécurisés sur un smartphone, plusieurs solutions ont été proposées : les Secure Elements (SE), les Trusted Platform Module (TPM), les Trusted Execution Environment (TEE) et la virtualisation. Afin de stocker et de traiter de manière sécurisée les données d'authentification, le TEE apparait comme la solution idéale avec le meilleur compromis sécurité/performances. Cependant, de nombreux smartphones n'embarquent pas encore de TEE. Pour remédier à cette contrainte, nous proposons une architecture basée sur l'utilisation de TEEs déportés sur le Cloud. Le smartphone peut le contacter via une liaison Wi-Fi ou 4G. Pour se faire, un protocole d'authentification basé sur IBAKE est proposé. En plus de ce scénario nominal, deux autres scenarii complémentaires ont été proposés permettant d'accompagner le développement et la démocratisation des TEE non seulement dans le monde des smartphones mais aussi sur des dispositifs peu onéreux comme le Raspberry Pi 3. Ces architectures déploient le même algorithme d'authentification que le scénario nominal. Nous proposons aussi une architecture hors ligne permettant à un utilisateur de s'authentifier à l'aide d'un jeton de connexion en cas d'absence de réseaux sans fil. Cette solution permet de relâcher la contrainte sur la connectivité du smartphone à son Cloud. Nous procédons à une évaluation de l'architecture de dématérialisation et de l'algorithme d'authentification en terme de performances et de sécurité. Les opérations cryptographiques du protocole d'authentification sont les plus coûteuses. Nous avons alors procédé à leur évaluation en nous intéressant en particulier aux opérations de chiffrement IBE et à la génération de challenges ECC. Nos implémentations ont été évaluées pour l'infrastructure Cloud et l'environnement mobile. Nous avons ensuite procédé à une validation du protocole d'authentification sur les trois architectures sélectionnées à l'aide de l'outil Scyther. Nous avons montré, que pour les trois scenarii, la clé de session négociée via le protocole d'authentification restait secrète durant tout le protocole. Cette caractéristique nous garantit que les données d'authentification chiffrées avec cette clé resteront secrètes et que la phase d'identification de la personne est protégée tout en préservant l'ergonomie du système existant

Analysis and Design of Symmetric Cryptographic Algorithms

This doctoral thesis is dedicated to the analysis and the design of symmetric cryptographic algorithms. In the first part of the dissertation, we deal with fault-based attacks on cryptographic circuits which belong to the field of active implementation attacks and aim to retrieve secret keys stored on such chips. Our main focus lies on the cryptanalytic aspects of those attacks. In particular, we target block ciphers with a lightweight and (often) non-bijective key schedule where the derived subkeys are (almost) independent from each other. An attacker who is able to reconstruct one of the subkeys is thus not necessarily able to directly retrieve other subkeys or even the secret master key by simply reversing the key schedule. We introduce a framework based on differential fault analysis that allows to attack block ciphers with an arbitrary number of independent subkeys and which rely on a substitution-permutation network. These methods are then applied to the lightweight block ciphers LED and PRINCE and we show in both cases how to recover the secret master key requiring only a small number of fault injections. Moreover, we investigate approaches that utilize algebraic instead of differential techniques for the fault analysis and discuss advantages and drawbacks. At the end of the first part of the dissertation, we explore fault-based attacks on the block cipher Bel-T which also has a lightweight key schedule but is not based on a substitution-permutation network but instead on the so-called Lai-Massey scheme. The framework mentioned above is thus not usable against Bel-T. Nevertheless, we also present techniques for the case of Bel-T that enable full recovery of the secret key in a very efficient way using differential fault analysis. In the second part of the thesis, we focus on authenticated encryption schemes. While regular ciphers only protect privacy of processed data, authenticated encryption schemes also secure its authenticity and integrity. Many of these ciphers are additionally able to protect authenticity and integrity of so-called associated data. This type of data is transmitted unencrypted but nevertheless must be protected from being tampered with during transmission. Authenticated encryption is nowadays the standard technique to protect in-transit data. However, most of the currently deployed schemes have deficits and there are many leverage points for improvements. With NORX we introduce a novel authenticated encryption scheme supporting associated data. This algorithm was designed with high security, efficiency in both hardware and software, simplicity, and robustness against side-channel attacks in mind. Next to its specification, we present special features, security goals, implementation details, extensive performance measurements and discuss advantages over currently deployed standards. Finally, we describe our preliminary security analysis where we investigate differential and rotational properties of NORX. Noteworthy are in particular the newly developed techniques for differential cryptanalysis of NORX which exploit the power of SAT- and SMT-solvers and have the potential to be easily adaptable to other encryption schemes as well.Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Analyse und dem Entwurf von symmetrischen kryptographischen Algorithmen. Im ersten Teil der Dissertation befassen wir uns mit fehlerbasierten Angriffen auf kryptographische Schaltungen, welche dem Gebiet der aktiven Seitenkanalangriffe zugeordnet werden und auf die Rekonstruktion geheimer Schlüssel abzielen, die auf diesen Chips gespeichert sind. Unser Hauptaugenmerk liegt dabei auf den kryptoanalytischen Aspekten dieser Angriffe. Insbesondere beschäftigen wir uns dabei mit Blockchiffren, die leichtgewichtige und eine (oft) nicht-bijektive Schlüsselexpansion besitzen, bei denen die erzeugten Teilschlüssel voneinander (nahezu) unabhängig sind. Ein Angreifer, dem es gelingt einen Teilschlüssel zu rekonstruieren, ist dadurch nicht in der Lage direkt weitere Teilschlüssel oder sogar den Hauptschlüssel abzuleiten indem er einfach die Schlüsselexpansion umkehrt. Wir stellen Techniken basierend auf differenzieller Fehleranalyse vor, die es ermöglichen Blockchiffren zu analysieren, welche eine beliebige Anzahl unabhängiger Teilschlüssel einsetzen und auf Substitutions-Permutations Netzwerken basieren. Diese Methoden werden im Anschluss auf die leichtgewichtigen Blockchiffren LED und PRINCE angewandt und wir zeigen in beiden Fällen wie der komplette geheime Schlüssel mit einigen wenigen Fehlerinjektionen rekonstruiert werden kann. Darüber hinaus untersuchen wir Methoden, die algebraische statt differenzielle Techniken der Fehleranalyse einsetzen und diskutieren deren Vor- und Nachteile. Am Ende des ersten Teils der Dissertation befassen wir uns mit fehlerbasierten Angriffen auf die Blockchiffre Bel-T, welche ebenfalls eine leichtgewichtige Schlüsselexpansion besitzt jedoch nicht auf einem Substitutions-Permutations Netzwerk sondern auf dem sogenannten Lai-Massey Schema basiert. Die oben genannten Techniken können daher bei Bel-T nicht angewandt werden. Nichtsdestotrotz werden wir auch für den Fall von Bel-T Verfahren vorstellen, die in der Lage sind den vollständigen geheimen Schlüssel sehr effizient mit Hilfe von differenzieller Fehleranalyse zu rekonstruieren. Im zweiten Teil der Doktorarbeit beschäftigen wir uns mit authentifizierenden Verschlüsselungsverfahren. Während gewöhnliche Chiffren nur die Vertraulichkeit der verarbeiteten Daten sicherstellen, gewährleisten authentifizierende Verschlüsselungsverfahren auch deren Authentizität und Integrität. Viele dieser Chiffren sind darüber hinaus in der Lage auch die Authentizität und Integrität von sogenannten assoziierten Daten zu gewährleisten. Daten dieses Typs werden in nicht-verschlüsselter Form übertragen, müssen aber dennoch gegen unbefugte Veränderungen auf dem Transportweg geschützt sein. Authentifizierende Verschlüsselungsverfahren bilden heutzutage die Standardtechnologie um Daten während der Übertragung zu beschützen. Aktuell eingesetzte Verfahren weisen jedoch oftmals Defizite auf und es existieren vielfältige Ansatzpunkte für Verbesserungen. Mit NORX stellen wir ein neuartiges authentifizierendes Verschlüsselungsverfahren vor, welches assoziierte Daten unterstützt. Dieser Algorithmus wurde vor allem im Hinblick auf Einsatzgebiete mit hohen Sicherheitsanforderungen, Effizienz in Hardware und Software, Einfachheit, und Robustheit gegenüber Seitenkanalangriffen entwickelt. Neben der Spezifikation präsentieren wir besondere Eigenschaften, angestrebte Sicherheitsziele, Details zur Implementierung, umfassende Performanz-Messungen und diskutieren Vorteile gegenüber aktuellen Standards. Schließlich stellen wir Ergebnisse unserer vorläufigen Sicherheitsanalyse vor, bei der wir uns vor allem auf differenzielle Merkmale und Rotationseigenschaften von NORX konzentrieren. Erwähnenswert sind dabei vor allem die für die differenzielle Kryptoanalyse von NORX entwickelten Techniken, die auf die Effizienz von SAT- und SMT-Solvern zurückgreifen und das Potential besitzen relativ einfach auch auf andere Verschlüsselungsverfahren übertragen werden zu können

Brute Force Cryptanalysis of MIFARE Classic Cards on GPU

MIFARE Classic is the most widely deployed contactless smartcard on the market. However, many active and passive attacks are provided after its proprietary stream cipher CRYPTO1 was reverse engineered. The short 48-bit key of the CRYPTO1 cipher, leaked parity bits and the encrypted error code that is sent after a failed authentication (which is corrected in the hardened new cards) allow the adversary to perform offline brute force attack and avoid detection. Such an attack requires wireless interaction with a card for less than a second and then a brute force attack which was shown to take around 9 days on a single GTX280 GPU. We optimized this brute force attack on modern GPUs by using bitsliced implementation technique and observed that a brute force attack on a GTX970 GPU can be performed in less than 5 hours. Although this attack is not applicable to hardened MIFARE Classic cards, a similar attack using the short key length and the leaked parity bits can be performed when a single key is known, possibly using the default keys for unused sectors. Such an attack requires wireless interaction with a card for less than a second and then a brute force attack which was shown to take approximately one month on a single GTX460 GPU. Our bitsliced implementation of this attack takes less than 7 hours on a GTX970 GPU