An RSA cryptolibrary resistant to side-channel and fault injections attacks

Bc. Jan Janásek

Bachelor's thesis

Abstract:

Tato bakalářská práce se zabývá zásadními zranitelnostmi implementací RSA-CRT souvisejícími se side-channel útoky a fault-injection útoky, přičemž se zaměřuje na vylepšení kryptografické knihovny BearSSL. Přestože se RSA-CRT stále běžně používá pro digitální podpisy a výměnu klíčů, je náchylný k fyzickým útokům zneužívajícím charakteristiky zařízení, jako jsou spotřeba energie či doba běhu. K omezení těchto hrozeb práce představuje nové protiopatření: re-randomizaci modulu, která během výpočtů dynamicky mění modul RSA-CRT a narušuje tak predikce útočníka. Dále byla vyvinuta ochrana proti fault-injection útokům druhého řádu, kombinující infektivní protiopatření s klasickou verifikací RSA-CRT. Všechna protiopatření byla implementována a evaluována na mikrokontroléru ARM Cortex-M4. Evaluace zahrnovala měření výkonu a předběžnou analýzu odolnosti vůči side-channel útokům napříč různými konfiguracemi. Nejlépe chráněná varianta dosáhla vysoké odolnosti vůči únikům informací při pouze mírném výkonnostním dopadu, což potvrzuje praktičnost těchto obran pro prostředí s omezenými prostředky.

Abstract:

This thesis addresses critical vulnerabilities in RSA-CRT implementations related to side-channel and fault-injection attacks, focusing on enhancing the BearSSL cryptographic library. Although RSA-CRT remains prevalent for digital signatures and key exchanges, it is susceptible to physical attacks exploiting device characteristics such as power consumption and execution time. To mitigate these threats, this work introduces a novel countermeasure: modulus re-randomization, dynamically altering the RSA-CRT modulus during computations to disrupt attacker predictions. Additionally, a second-order fault injection protection combining infective countermeasures with classical RSA-CRT verification is developed. All countermeasures were implemented and evaluated on an ARM Cortex-M4 microcontroller. The evaluation included performance measurements and a preliminary side-channel analysis across multiple configurations. The most protected variant achieved strong leakage resistance with only moderate performance overhead, confirming the practicality of these defenses in resource-constrained environments.

Keywords

RSA-CRT, Side-channel Analysis, Fault Injection, BearSSL, Countermeasures, Modulus Re-randomization

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 5. 2025

Thesis defence

• Date of defence: 26. 6. 2025
• Supervisor: PhD Lukasz Michal Chmielewski
• Reader: RNDr. Milan Šorf

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / field:
Informatics / Informatics