towards fast and side-channel resistant implementations of hamming quasi-cyclic: a case study on arm cortex-m4 devices

Cryptography plays a fundamental role in the security of modern information systems, as it guarantees confidentiality, integrity and authenticity of data. Current cryptosystems can achieve these goals, but the advent of quantum computers undermines their security. To prepare for the quantum apocalypse, in 2016 the U.S. National Institute of Standards and Technologies started a competition to evaluate and standardize one or more post-quantum secure schemes; other than security strenght, candidates are also judged on their efficiency and security against side-channel attacks, which are especially relevant in the context of embedded devices. In this thesis we present the first constant-time imlementation of HQC tailored for Cortex-M4, showing its efficiency and constant-time behavior; furthermore, we implement an efficient masking scheme that protects the public key encryption scheme against power side-channel attacks, showing its potential efficacy in practice. Finally, we compare the performance of our implementations with other standardization candidates, highlighting the efficiency and shortcomings of our approach.

La crittografia gioca un ruolo fondamentale nella sicurezza dei moderni sistemi informativi, garantendo confidenzialità, integrità e autenticità dei dati. Le primitive crittografiche attuali possono garantire queste proprietà, ma l’avvento dei computer quantistici mina la loro sicurezza. In vista dell’apocalisse quantistica, nel 2016 l’istituto per la standardizzazione e la tecnologia degli Stati Uniti ha avviato una competizione per valutare e standardizzare una o più primitive crittografiche resistenti ai computer quantistici; oltre alla sicurezza formale, i candidati sono giudicati anche in base alla loro efficienza e alla loro resistenza agli attacchi di tipo side-channel, che sono particolarmente rilevanti nel caso di dispositivi embedded. In questa tesi presentiamo la prima implementazione a tempo costante di HQC ottimizzata per processori Cortex-M4, mostrandone l’efficienza e l’esecuzione in tempo costante; inoltre, implementiamo uno schema di masking efficiente in grado di proteggere lo schema di crittografia a chiave pubblica contro attacchi side-channel basati sul consumo energetico, mostrandone empiricamente la potenziale efficacia. Infine, confrontiamo le prestazioni delle nostre implementazioni con altri candidati per la standardizzazione, evidenziandone l’efficienza e le limitazioni.