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PQ-SEAL, Post-Quantum Secure Embedded Architecture with Leakage-Resilient AES on Ibex RV32IMC

Cet article présente PQ-SEAL, une implémentation RISC-V bare-metal sur FPGA qui intègre une cryptographie post-quantique normalisée par le NIST avec un schéma de rekeying AES-128 résistant aux fuites, démontrant une amélioration de 31 fois de la résistance contre les attaques par analyse de puissance par corrélation sans coûts matériels supplémentaires.

Auteurs originaux : Charan Kasimahanti

Publié 2026-08-11

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Charan Kasimahanti

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La Forteresse Numérique et la Tempête Quantique

Imaginez l'internet comme une ville immense et bouillonnante où tout le monde s'envoie des lettres secrètes. Pour garder ces lettres en sécurité, nous utilisons des « verrous » (le chiffrement) qui sont si complexes que même les meilleurs mathématiciens du monde ne peuvent les crocheter sans la clé. Pendant des décennies, ces verrous ont été incroyablement solides. Cependant, des scientifiques construisent un nouvel outil appelé « ordinateur quantique ». Ne voyez pas cela comme une calculatrice plus rapide, mais comme une clé maîtresse magique capable de crocheter presque tous nos verrous actuels en quelques secondes. Si quelqu'un construit cette machine, toutes nos lettres secrètes pourraient être lues instantanément, même si elles ont été écrites il y a des années. C'est un gros problème car des méchants volent et sauvegardent déjà nos lettres secrètes aujourd'hui, en attendant le jour où ils pourront les déverrouiller.

Pour contrer cela, des experts conçoivent de nouveaux verrous qui sont « résistants au quantique ». Ces nouveaux verrous sont basés sur des énigmes mathématiques complexes que même un ordinateur quantique ne peut pas résoudre facilement. Mais il y a un piège : fabriquer ces nouveaux verrous nécessite beaucoup de puissance cérébrale et de mémoire, ce qui est difficile à faire tenir dans de minuscules dispositaux comme des capteurs intelligents ou des puces simples. De plus, même si les mathématiques sont parfaites, un attaquant rusé pourrait tenter de voler la clé en observant la quantité d'électricité que l'appareil consomme pendant qu'il travaille. Ce document explore comment construire une petite forteresse ultra-robuste et résistante au quantique sur une puce très petite et simple, tout en installant un bouclier magique pour confondre quiconque tenterait d'espionner sa consommation d'énergie.

Le Petit Gardien : PQ-SEAL

Découvrez PQ-SEAL, un projet créé par un chercheur nommé Charan Kasimahanti de l'Indian Institute of Technology Madras. L'objectif était de construire un système de communication complet et sécurisé sur une minuscule puce informatique « bare-metal » (spécifiquement une Ibex RV32IMC tournant sur une carte FPGA) qui n'a presque aucune mémoire — seulement 64 Ko de RAM, ce qui est moins qu'une seule photo haute résolution. Habituellement, faire tenir une sécurité avancée sur une puce aussi petite revient à essayer de garer un semi-remorque dans un abri pour vélos.

Les chercheurs ont réussi à faire entrer deux tâches massives dans cet espace minuscule :

La poignée de main résistante au quantique : Ils ont implémenté une nouvelle méthode de échange de clés, normalisée par le NIST, utilisant ML-KEM et ML-DSA. Il s'agit de la « poignée de main » où deux ordinateurs se disent : « Bonjour, je suis bien qui je prétends être, et voici une clé secrète que nous pouvons utiliser. »
Le bouclier résistant aux fuites : Ils ont ajouté un tour spécial appelé rekeying LR4 pour protéger les messages réellement envoyés après la poignée de main.

Comment fonctionne la poignée de main

Imaginez deux espions se rencontrant dans un parc. Au lieu de chuchoter un secret, ils effectuent une danse complexe.

La salutation : La petite puce (la « Board ») envoie une carte d'identité publique (800 octets) à un ordinateur puissant (l'« Host »).
Le tour de magie : L'ordinateur puissant fait le plus gros du travail. Il utilise la carte d'identité pour créer un code secret et une signature numérique, puis les renvoie.
La vérification : La petite puce vérifie la signature. Si elle est valide, les deux côtés utilisent une fonction mathématique spéciale (SHAKE-128) pour transformer le secret partagé en une clé de session finale de 32 octets.

Toute cette danse n'a pris que 0,9 seconde sur la petite puce, qui tournait à 50 MHz. C'est incroyablement rapide pour un appareil sans système d'exploitation et sans aide mémoire supplémentaire.

Le bouclier magique : Le rekeying LR4

Une fois la poignée de main terminée, les deux côtés commencent à envoyer des messages chiffrés. C'est ici que le document devient vraiment ingénieux. Habituellement, si un attaquant observe un appareil chiffrer des messages, il peut finir par découvrir la clé en analysant la consommation d'énergie (une méthode appelée Analyse de Corrélation de Puissance ou CPA). C'est comme écouter un cambrioleur de coffre-fort ; s'il tourne le cadran de la même façon à chaque fois, vous pouvez deviner la combinaison.

Le document introduit une contre-mesure appelée rekeying LR4. Au lieu d'utiliser la même clé pour toujours, le système change la clé tous les 10 blocs de données.

L'analogie : Imaginez que vous envoyez un message secret dans une boîte. Un verrou normal utilise la même clé pour chaque boîte. Un espion vous regarde verrouiller 100 boîtes et finit par découvrir la clé.
Le tour de passe-passe de PQ-SEAL : Chaque fois que vous verrouillez la 10ème boîte, le verrou change automatiquement son mécanisme interne pour une toute nouvelle clé aléatoire. L'espion observe les 10 premières boîtes, est confus, et puis le verrou change. Il doit tout recommencer depuis le début.

Les chercheurs ont testé cela en collectant 300 paires de messages et leurs résultats chiffrés.

Sans le bouclier (AES classique) : L'espion pouvait découvrir la clé avec un « rang » de 4 (signifiant que la vraie clé était l'une des 4 meilleures suppositions) après 300 essais.
Avec le bouclier (LR4) : La meilleure supposition de l'espion était bloquée à un « rang » de 124.

Cela signifie que l'attaquant était 31 fois plus confus et incertain lorsque le bouclier était actif. Le document prouve que cette amélioration s'est produite sans nécessiter de matériel supplémentaire ou de puces spéciales ; cela a été fait entièrement par logiciel.

Le test en conditions réelles

Pour montrer qu'il ne s'agissait pas seulement d'un puzzle mathématique, l'équipe a construit une application de messagerie chiffrée en direct. Les utilisateurs pouvaient envoyer des discussions de groupe et des messages directs. La petite puce sur la carte FPGA chiffrait chaque message avant l'envoi, et l'ordinateur puissant le déchiffrait. Le système fonctionnait de manière fluide, prouvant que même sur une puce minuscule et dépourvue de ressources, on peut avoir une conversation sécurisée, résistante au quantique et également protégée contre les espions utilisant le piratage de puissance.

Ce que cela signifie

Le document ne prétend pas avoir résolu tous les problèmes du monde. Les chercheurs admettent que leurs tests ont été effectués dans une simulation logicielle contrôlée de la consommation d'énergie, et non avec des compteurs de puissance physiques sur la puce réelle pour le moment. Ils ont également noté que le code pourrait être amélioré pour prévenir les attaques temporelles (où un espion devine la clé en fonction du temps qu'une opération prend).

Cependant, les résultats sont une preuve de concept solide. Ils ont montré que l'on peut faire fonctionner les standards les plus récents et les plus sûrs, résistants au quantique, sur une puce minuscule et bon marché sans système d'exploitation, et que l'on peut ajouter une défense puissante contre l'espionnage physique simplement en changeant la fréquence de changement des clés. C'est une étape vers un avenir où même les plus petits appareils pourront rester en sécurité face aux ordinateurs quantiques et aux espions rusés.

Résumé Technique : PQ-SEAL

Énoncé du Problème

La standardisation des algorithmes de cryptographie post-quantique (PQC) par le NIST (spécifiquement FIPS 203 pour ML-KEM et FIPS 204 pour ML-DSA) impose la migration des infrastructures cryptographiques vers des protocoles résistants au quantique. Cependant, le déploiement de ces standards sur des systèmes embarqués aux ressources limitées présente un double défi :

Contraintes de Calcul : Les processeurs embarqués (par exemple, les objets connectés, les softcores FPGA) fonctionnent souvent avec une RAM limitée (< 64 Ko), des vitesses d'horloge faibles (< 100 MHz) et ne disposent pas de systèmes d'exploitation ou d'accélérateurs matériels. Les exigences arithmétiques de la cryptographie post-quantique basée sur les réseaux euclidiens (Transformée de Number-Theoretic pour la multiplication de polynômes) sont significatives pour les pipelines ordonnés sans accélération multiply-accumulate (MAC).
Vulnérabilités de la Couche Physique : Bien que la PQC réponde à la menace des ordinateurs quantiques, la couche symétrique protégeant les données (typiquement l'AES) reste vulnérable aux attaques par canaux auxiliaires. Spécifiquement, l'analyse de corrélation de puissance (CPA) peut récupérer les clés AES à partir de quelques centaines de traces de puissance. Les implémentations PQC existantes sur plateformes embarquées négligent souvent les contre-mesures par canaux auxiliaires sur la couche symétrique, tandis que les schémas de fuite résilients (LR) existants supposent généralement un établissement de clé classique plutôt que post-quantique.

Il existe une lacune dans la littérature concernant un système complet de bout en bout intégrant un handshake post-quantique avec un schéma de chiffrement symétrique prouvablement résilient aux fuites sur un softcore RISC-V bare-metal sous des contraintes de mémoire strictes.

Méthodologie

L'auteur présente PQ-SEAL (Post-Quantum Secure Embedded Architecture with Leakage-Resilient AES), implémenté sur un softcore Ibex RV32IMC tournant sur un FPGA Xilinx Artix-7.

Architecture du Système

Plateforme Matérielle : Le système fonctionne sur une carte Nexys 4 DDR avec le cœur Ibex opérant à 50 MHz et un budget de 64 Ko de SRAM unifiée. Aucun OS, allocateur de tas (heap) ou bibliothèque cryptographique externe n'est utilisé.
Empreinte du Firmware : Le firmware occupe 53 Ko des 64 Ko de la SRAM. Les clés pour ML-KEM et ML-DSA sont stockées dans .rodata au moment de la compilation afin d'éviter la surcharge liée à la génération de clés au runtime et le besoin d'un générateur de nombres aléatoires véritables (TRNG) matériel sur la cible bare-metal.
Communication : La carte communique avec un hôte PC via un canal UART cadré (115200 bauds). L'hôte effectue toute l'arithmétique basée sur les réseaux (encapsulation ML-KEM, signature ML-DSA, dérivation SHAKE-128) en utilisant liboqs et PQClean, tandis que la carte gère le chiffrement symétrique et le rekeying.

Conception du Protocole

Le système exécute un handshake PQ-TLS en cinq étapes :

Client Hello : La carte envoie sa clé publique ML-KEM-512 (800 B) à l'hôte.
Encapsulation de l'Hôte : L'hôte effectue l'encapsulation ML-KEM-512 localement pour générer un texte chiffré et un secret partagé.
Signature de l'Hôte : L'hôte signe un hash de la clé publique et du texte chiffré en utilisant ML-DSA-44.
Server Hello : L'hôte envoie le texte chiffré, sa clé publique et la signature (4504 B au total) à la carte.
Vérification et Dérivation de Clé : La carte vérifie la signature, dérive la clé de session ( $K_s$ ) en utilisant SHAKE-128 à partir du secret partagé, et envoie un accusé de réception.

Couche Symétrique et Rekeying LR4

La communication post-handshake utilise l'AES-128-CTR. Pour atténuer la CPA, le système implémente le schéma de rekeying LR4 (issu de Fallen Sanctuary [12]) :

Mécanisme : La clé est mise à jour tous les $m=10$ blocs via la récurrence $K_{i+1} = \text{AES}_{K_i}(K_i)$ .
Génération d'IV : Les IV sont dérivés via SHAKE-128 pour éviter la réutilisation des compteurs entre les limites d'époques.
Base Théorique : Cette construction est prouvée pour résister à des invocations exponentielles jusqu'à la limite de l'anniversaire de la taille de la clé sans nécessiter un sanctuaire exempt de fuites, ce qui limite efficacement le budget de traces utile de l'attaquant par époque de clé.

Évaluation

Vérification Fonctionnelle : Le système a complété avec succès 10 handshakes consécutifs avec des clés de session déterministes. Les 300 blocs AES à travers 30 événements de rekeying correspondaient tous à une implémentation logicielle de référence.
Analyse de Canal Auxiliaire (CPA) : L'auteur a collecté $N=300$ $N = 300$ paires texte clair-texte chiffré à partir du matériel. Une attaque CPA logicielle a été réalisée ciblant le poids de Hamming de la première opération SubBytes d'AES.
- AES à Clé Fixe : Le rang de la clé est tombé à 4 après 300 traces, indiquant une récupération quasi complète.
- Rekeying LR4 : Le rang de la clé est resté à 124 tout au long des 300 traces. Chaque événement de rekeying (tous les 10 traces) réinitialise l'accumulation de corrélation, empêchant l'attaquant de discriminer l'octet de clé réel.

Principales Contributions

Intégration Système : La première implémentation complète d'un handshake post-quantique ML-KEM-512 + ML-DSA-44 sur un Ibex RV32IMC bare-metal sous une contrainte de 64 Ko de SRAM, atteignant une latence de handshake de 0,9 seconde à 50 MHz.
Implémentation de Contre-mesure : Le déploiement du schéma de rekeying LR4 ( $\text{K}_{i+1} = \text{AES}_{\text{K}_i}(\text{K}_i)$ avec $m=10$ ) comme contre-mesure sans surcharge matérielle contre la CPA sur un softcore.
Validation Empirique : Une évaluation CPA logicielle démontrant une amélioration de 31× du rang de la clé (de 4 à 124) par le seul rekeying, avec une validation statistique complète de l'uniformité du texte chiffré (entropie, effet avalanche, tests du chi-deux).
Démonstration d'Application : Une plateforme de messagerie chiffrée en temps réel basée sur le canal sécurisé, validant le système dans un scénario de déploiement multi-utilisateurs.

Résultats

Performance : L'empreinte du firmware de 53 Ko laisse 11 Ko de marge de SRAM. Le handshake se termine en 0,9 seconde. Le débit AES est limité par le débit du port série UART (115200) plutôt que par la capacité du processeur, atteignant environ 10 blocs par seconde.
Sécurité : Le schéma LR4 a réussi à interrompre l'accumulation monotone de corrélation requise pour la CPA. Alors que l'AES à clé fixe était vulnérable (Rang 4), le système rekeyé a maintenu une incertitude élevée (Rang 124) sans coût matériel supplémentaire.
Propriétés Statistiques : Les textes chiffrés des modes à clé fixe et rekeyée étaient statistiquement indiscernables (entropie de Shannon $\approx$ 7,99 bits/octet, Chi-deux $p > 0,05$ ), confirmant que le rekeying n'introduit pas d'artefacts statistiques détectables par l'analyse cryptographique standard.

Signification et Revendications

L'article affirme fournir la première intégration de bout en bout d'un établissement de clé post-quantique normalisé par le NIST avec une couche symétrique prouvablement résiliente aux fuites sur un softcore RISC-V bare-metal.

L'auteur souligne que PQ-SEAL établit une base logicielle fidèle pour l'enveloppe de déploiement bare-metal de 64 Ko, prouvant que :

Les handshakes PQC complets sont réalisables sur des softcores contraints sans support d'OS.
Un chiffrement symétrique résilient aux fuites peut être obtenu sur de telles plateformes sans accélérateurs matériels ni pénalités de performance significatives.
La combinaison de la PQC et du LR4 crée une défense robuste contre les menaces quantiques (via ML-KEM/DSA) et les attaques physiques par canaux auxiliaires (via le rekeying LR4).

Ce travail est présenté comme une fondation ouverte et reproductible pour les recherches futures sur les canaux sécurisés post-quantiques sur les plateformes embarquées RISC-V. L'auteur note des limitations, notamment la dépendance à une évaluation CPA basée sur le logiciel (plutement que des mesures physiques EM/puissance) et l'utilisation d'implémentations NTT non à temps constant, identifiant celles-ci comme les principales directions pour les travaux futurs.