Hardening the Cortex-M4 implementation of CROSS against active side-channel attacks

Due to the advancements of quantum computing, cryptographic community’s attention has shifted to Post-Quantum Cryptography, a relatively new branch of the discipline that studies quantum-resistant algorithms. This work focuses on one of the current candidates in the most recent NIST call for quantum-resistant algorithms, CROSS, specifically on the implementation designed for embedded devices. Such devices are the primary targets of side-channel attacks, a category of attacks targeting cryptosystems and digital signature schemes. They might be cheap to conduct even though they might achieve significant results, such as a complete key recovery. This work achieves two main results. The first is the analysis and identification of vulnerabilities in the ARM Cortex-M4 implementation of CROSS regarding active side-channel attacks. The second is the development of a new version of the signature primitive that incorporates a countermeasure based on Keccak, capable of mitigating the most severe attacks identified during the analysis.

A causa dell’avanzamento del calcolo quantistico, l’attenzione della comunità crittografica si è spostata sulla Crittografia Post-Quantistica, una nuova branca della disciplina che si occupa di studiare algoritmi resistenti ai computer quantistici. Questo lavoro si concentra su CROSS, uno dei candidati nel più recente percorso di selezione, relativo ad algoritmi resistenti ai computer quantistici, bandito dal NIST. Nello specifico, la nostra attenzione sarà rivolta all’implementazione sviluppata per i sistemi embedded. Tali dispositivi infatti sono i bersagli primari degli attacchi side-channel, una categoria di attacchi rivolta ai crittosistemi e ai sistemi di firma digitale. Nonostante i risultati a cui tali attacchi possono condurre, come un recupero completo della chiave privata, essi possono essere implementati con costi contenuti. Questo lavoro consegue due risultati principali. Il primo è l’analisi e l’identificazione delle vulnerabilità presenti nell’implementazione di CROSS per ARM Cortex-M4 rispetto ad attacchi side-channel attivi. Il secondo è lo sviluppo di una nuova versione della primitiva di firma che integra una contromisura basata su Keccak, capace di mitigare gli attacchi più pericolosi identificati durante l’analisi.