PYECSCA: Reverse-engineering black-box Elliptic Curve Cryptography implementations via side-channels

Bc. Ján Jančár

Master's thesis

Abstract:

Oblasť side-channel útokov má dva hlavné ciele. Prvým je vyhodnotenie implementácii na zraniteľnosti z pohľadu side-channelov. Druhým je vývoj nových side-channel útokov, pri predpoklade nejakej zrantieľnosti implementácie. Práve tento druhý cieľ často vyžaduje veľmi presné vedomosti o detailoch implementácie, ktoré v prípade algoritmov ako AES alebo RSA môžu byť jednoduché na získanie. Avšak priestor možných ekvivalentných implementácii kryptografie na báze eliptických kriviek (ECC) je oveľa väčší, čo robí side-channel útoky ťažké na realizáciu bez znalostí cieľovej implementácie. V tejto práci prezentujeme open-source toolkit, nazvaný PYECSCA, na reverse engineering black-box implementácii kryptografických algoritmov na báze eliptických kriviek. Táto sada nástrojov obsahuje pokročilé nástroje na side-channel analýzu ako napríklad funkcionalitu na zarovnanie odberových kriviek, filtrovanie, štatistické testy a útoky. Takisto obsahuje funkcionalitu na generovanie implementácii ECC v akejkoľvek implementačnej konfigurácii pre niekoľko mikroprocessorov. Toolkit takisto umožňuje precíznu simuláciu ECC operácii v akejkoľvek implementačnej konfigurácii, až na úroveň medzivýsledkov a ich poradia.

Abstract:

The usual goals of offensive Side Channel Analysis are mostly two-fold. One is to assess and quantify the presence of side channel leakage, the other is to assume leakage and target the secret key. The second goal often requires very precise knowledge of the implementation details, which might not be very extensive for algorithms like AES or RSA. However, the space of possible equivalent implementations of Elliptic Curve Cryptography (ECC) is much larger, making such an attack difficult to mount without the knowledge of actual implementation. We present an open-source toolkit, called PYECSCA, for reverse engineering of black-box implementations of elliptic curve cryptography. The toolkit implements state-of-the-art utilities for Side Channel Analysis, such as trace alignment, filtering, statistical tests and attacks. It is able to synthesize ECC implementations for micro-controllers given any implementation configuration. It also allows for precise simulation of ECC operations given any configuration, down to intermediate values and ordering.

Keywords

elliptic curve cryptography, ECDH, ECDSA, smart cards, JavaCard, side channel analysis, power analysis, reverse-engineering

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 7. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 15. 9. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Švenda, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Václav Matyáš, M.Sc.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / field:
Informatics / Information Technology Security