Degate : espionner un CPU depuis les waters

Degate est un logiciel libre pour faire de l'ingénierie inverse sur les processeurs.

Pour le présenter, Dorian Bachelot, mainteneur du projet, a accepté de répondre à nos questions.

Sommaire

• Présentation
• Entretien avec Dorian Bachelot
  • Présentation
    • Qui êtes-vous ? Quel est votre parcours ?
    • Est-ce que vous êtes parent de Roselyne ?
    • Qu’est-ce que Degate ?
    • Pourquoi dis-tu que c’est le seul bastion ?
    • Comment ça fonctionne ?
    • Il existe des protections contre ceci ? J’imagine que certaines entreprises n’aimeraient pas qu’on fasse de la retro-ingénierie sur leur puce, il me semble que certaines puces possèdent un genre de grillage.
    • Est-ce que les différentes façons de gravure qui utilise différent MOSFET (CMOS, FinFET, MBCFET, FD-SOI etc) ne demandent pas des analyses différentes ? Est-ce que ça sera fiable avec les derniers types de gravure avec des transistors imbriqués 3D ?
    • Qui se sert de Degate ? Est-ce une communauté de fans de consoles ou des professionnels confrontés à des puces qui ne sont plus documentées ou des gens du logiciel libre, etc. ?
    • Concernant la sécurité, quels types de puces sont concernées ? J’imagine qu’il ne s’agit pas d’analyser les processeurs généralistes de nos ordinateurs… Ce sont des puces qu’on trouve dans quels matériels ?
    • Comment en êtes-vous devenu le mainteneur ?
    • Tu n’utiliseras donc pas Degate dans le cadre de ton travail ?
    • Quelle est ta motivation ? Qu’est ce qui t’anime avec Degate ? Puisque tu as commencé l’informatique assez jeune, tu jouais peut-être avec des consoles ; est-ce que Degate te permet aussi d’imaginer recréer les puces de ton enfance ?
    • Est-ce que vous tirez un revenu de ce travail ? Est-ce une bonne wafer ?
  • Pour finir
    • Que dire sur vos autres projets ?
    • Que pensez-vous de la directive NIS 2 sur la cybersécurité ?
    • Au niveau personnel, quels logiciels libres utilisez-vous, sur quel OS ?
    • Au niveau professionnel, quels logiciels libres utilisez-vous, sur quel OS ?
    • Quelle est votre distribution GNU/Linux préférée et pourquoi, quels sont vos logiciels libres préférés ?
  • Références

Présentation

Entretien avec Dorian Bachelot

Présentation

Qui êtes-vous ? Quel est votre parcours ?

C’est sûrement très « bateau », mais comme beaucoup je suis avant tout un passionné d’informatique et d’électronique. J’ai commencé à programmer dans mes années collège (début des années 2010) et suis rapidement arrivé à découvrir Linux ainsi que d’autres galaxies (C++, git, virtualisation, reverse engineering…). Par la suite j’ai eu la chance de réaliser un diplôme d’ingénieur à l’ESIEA (école d’ingénieur généraliste sur Laval) qui m’a permis de découvrir de nombreux domaines comme l’électronique embarquée, la cybersécurité et l’intelligence artificielle. Comme beaucoup, j’ai un faible pour les domaines complexes et devoir me limiter à une seule spécialité pour mes études ne m’allait pas trop. C’est sur ce dernier point que démarre l’aventure Degate au côté du laboratoire de recherche en cybersécurité de mon école. Cette dernière proposait en effet un format « espoir recherche » permettant de creuser un sujet de recherche en plus des cours. Mon sujet a justement porté sur Degate, puisque comme nous allons le voir la rétro-ingénierie matérielle a l’avantage de toucher autant à l’électronique, qu’à la physique, la cybersécurité et l’intelligence artificielle !

Quant à aujourd’hui, après avoir travaillé sur le sujet de la rétro-ingénierie matérielle pendant presque 3 ans (en publiant 5 articles dans Hackable et en travaillant sur Degate) et avoir obtenu mon diplôme, je suis Tech Lead R&D Cyber/IA chez Neverhack (on vient de lever 100 millions d’euros). J’ai pu en effet garder une dualité de spécialité, à travers la cybersécurité et l’intelligence artificielle, principalement grâce à cette aventure d’espoir recherche (et donc en partie de Degate) ¹.

Est-ce que vous êtes parent de Roselyne ?

Et non, du tout, mais bien vu ;)

Qu’est-ce que Degate ?

En une phrase : Degate est un logiciel open source (GPL-3.0) et multiplateforme aidant ses utilisateurs à effectuer de la rétro-ingénierie sur des puces de silicium ².

Maintenant, pour donner un peu de contexte, le développement de Degate a commencé dès 2008 avec la thèse de master de Martin Schobert ³. Jusqu’à la fin de cette dernière en 2011, Martin a pu faire évoluer la solution et collaborer avec d’autres chercheurs pour l’utiliser sur des sujets de cybersécurité. Par exemple, Degate a pu être utilisé ⁴ pour aider à la rétro-ingénierie de la puce RFID MIFARE Classic de NXP (le développement de Degate a d’ailleurs pour source ce cas précis). Par la suite, les chercheurs Karsten Nohl et Starbug ont pu trouver une faille cryptographique dans la puce permettant d’outrepasser toutes les sécurités (on parle ici d’un impact économique énorme pour NXP) ⁵.

Degate est donc un logiciel avec une histoire riche de plus de 10 ans, qui a déjà permis d’avoir un impact dans l’industrie (et, suite au cas MIFARE Classic, dans la société). Il est aujourd’hui le seul bastion permettant à n’importe qui (ou presque) d’effectuer de la rétro-ingénierie matérielle sur des puces.

Pourquoi dis-tu que c’est le seul bastion ?

On peut voir ça sous différents angles, mais je parle d’unique bastion car Degate est le seul logiciel disponible à la fois gratuit, accessible (traduction de l’interface, documentation, etc.) et extensible (car open source). Or, les alternatives payantes sont généralement vendues sous conditions et donc difficilement accessibles. Seulement, comme je l’ai expliqué (modulo une déformation par mon parcours), la sécurité d’aujourd’hui passe, pour moi, forcément par une utilisation de la rétro-ingénierie matérielle beaucoup plus massive pour valider tout matériel critique. Et Degate n’est pas qu’un logiciel (surtout à sa création en 2008, c’était plus un outil ou un démonstrateur), c’est aussi une preuve d’importance (MIFARE Classic) et des ressources en ligne (wiki, articles, thèse, etc.). Il ne faut pas seulement voir le logiciel (avec ses défauts), mais plutôt l’approche : essayer de rendre plus accessible la rétro-ingénierie matérielle. Je ne clame pas que Degate réussit à remplir cette vision, mais je crois que nous sommes quasiment les seuls à essayer depuis maintenant plus de 10 ans (outre les projets visant à « rétro-ingénierier » certaines puces en particulier, sans prendre le prisme de la sécurité et de l’accessibilité).

Comment ça fonctionne ?

Avant tout il faut comprendre les contraintes et méthodes permettant d’effectuer de la rétro-ingénierie sur un objet aussi petit et complexe qu’une puce de silicium. Quand on parle d’une puce, on parle d’un agencement de milliards de transistors sur quelques millimètres et de leurs liens répartis sur plusieurs couches. La première étape est alors de définir un objectif, pouvant être la reconstruction d’un algorithme implémenté matériellement (et donc dans une zone réduite de la puce) ou encore la reconstitution complète du fonctionnement de la puce, par exemple pour construire un simulateur. Ensuite, il faut réussir à récupérer des images de la puce et de toutes ses couches (images en 2D ou 3D, un de mes articles dans Hackable aborde le sujet ⁶). Toutes les méthodes permettant d’obtenir ces images impliquent un processus destructeur pour la puce. Cela passe par exemple par un processus de polissage itératif et la prise de photographies (attention, on parle d’un exercice très complexe puisqu’une couche de silicium c’est extrêmement fin, et trop polir implique de devoir recommencer sur une nouvelle puce). On peut aussi prendre une approche chimique (utilisation d’acide pour attaquer couche par couche) ou laser. Sans développer beaucoup plus, ce processus est le plus important, car c’est avec ces photos très hautes résolutions que l’on va pouvoir débuter l’analyse de la puce.

C’est là que Degate rentre en jeu, son objectif est de permettre d’utiliser les images obtenues, de les importer dans le logiciel (on parle généralement d’images de plusieurs Giga, voire Tera, tellement la résolution et leur taille sont grandes) puis de commencer l’analyse. Ensuite, l’utilisateur peut analyser les parties de la puce en partant de la couche la plus basse, celle avec les transistors, et ainsi reconstruire les portes logiques (c’est ici que des connaissances en physique et en électronique sont importantes, il faut savoir lire à travers les transistors !). Comme vous vous en doutez, effectuer l’analyse de chaque transistor quand il peut y en avoir des milliards serait trop fastidieux, et Degate facilite le processus. Ce dernier propose en effet de construire une bibliothèque de portes logiques reconstituée depuis une zone de l’image de la puce, et puisque l’agencement des transistors ne change pas pour chaque porte logique, on peut alors automatiser la recherche et reconstitution de ces portes via des algorithmes de reconnaissance d’images. Il ne reste alors à l’utilisateur qu’à analyser les connexions entre les portes logiques toujours grâce aux images de la puce (couches supérieures, les liaisons entre couches sont appelées des « Via ») et ainsi reconstituer les algorithmes utilisés par la puce. Degate permet là encore d’automatiser une partie du processus en aidant à la reconnaissance des connexions et en proposant d’exporter toute l’analyse dans un langage type VHDL (permettant de simuler le fonctionnement de la puce, si l’analyse a été réussie).

Degate ne permet donc pas d’automatiser tout le processus de rétro-ingénierie, et une expertise humaine reste nécessaire (décapage de la puce, prise des photos, analyses des portes logiques puis des connexions), mais il permet de gagner un temps non négligeable sur l’analyse en automatisant plusieurs étapes. Pour cela, Degate implémente des algorithmes de reconnaissances d’images, supporte l’importation d’images extrêmement grandes (plusieurs millions de pixels de large), vous aide dans la navigation des images et couches, vous permet d’identifier les portes logiques formées par des transistors et bien plus.

Si le sujet vous intéresse, je peux vous donner les références suivantes : on peut citer Ken Shirriff qui est LA personne à suivre sur le sujet (auteur de beaucoup d’analyses sur des puces historiques ⁷, comme la Intel 8086 ou la fameuse Z80), ou encore la communauté Visual 6502 ⁸ qui ont rétro-ingénierié plusieurs puces (en partant de simples images pour finir par la création de simulateurs complets) ! Vous pourrez également explorer le super site Silicon Pr0n ⁹. Enfin, pour trouver une liste plus complète n’hésitez pas à vous rendre directement sur le dépôt de Degate ¹⁰.

Il existe des protections contre ceci ? J’imagine que certaines entreprises n’aimeraient pas qu’on fasse de la retro-ingénierie sur leur puce, il me semble que certaines puces possèdent un genre de grillage.

En effet, il existe beaucoup de méthodes pour essayer de s’en protéger. On parle de deux grandes catégories : les protections passives et actives. Les protections passives peuvent par exemple prendre la forme de résine que l’on “coule” sur les puces pour complexifier leurs récupérations (et aussi empêcher la récupération des références), ou d’une couche directement dans le silicium pour bloquer l’analyse visuelle de surface. D’autres méthodes existent, mais généralement de l’huile de coude et du bon matériel permettent de passer outre. Les méthodes actives sont plus recherchées et protègent contre d’autres approches de la rétro-ingénierie matérielle. Comme cité dans la question, l’ajout d’un grillage actif est une solution assez répandue dans les puces de cartes bleues par exemple. L’idée est à la fois de bloquer une analyse visuelle de surface de la puce, mais aussi d’empêcher le “probing” (essayer d’utiliser une sonde directement sur un “circuit” de la puce) ou la modification de la puce (par exemple en connectant deux “circuits” de la puce). Cela passe par un maillage avec des formes complexes (on peut voir ça comme un labyrinthe) alimenté par un courant qui, en cas de modification du circuit, peut rendre la puce non fonctionnelle. Il est alors compliqué d’aller voir et manipuler les couches inférieures en laissant la puce fonctionnelle. ¹¹

Est-ce que les différentes façons de gravure qui utilise différent MOSFET (CMOS, FinFET, MBCFET, FD-SOI etc) ne demandent pas des analyses différentes ? Est-ce que ça sera fiable avec les derniers types de gravure avec des transistors imbriqués 3D ?

À tout problème sa solution : les méthodes d’analyses 3D de puces de silicium se développent également ⁶. Si le matériel nécessaire pour créer les données 3D venait à être plus accessible, je prévois déjà l’ajout d’un mode d’analyse à Degate permettant de les exploiter. Je ne doute cependant pas que les méthodes d’analyses actuelles fonctionnent pour la majorité des cas, même si le problème est déjà suffisamment complexe pour ne pas rajouter ces spécificités. Je n’ai personnellement pas pu couvrir toutes les méthodes de gravures dans mes analyses ni les nouvelles approches en 3D. Seulement, ces méthodes s’appliquent pour l’instant majoritairement à la mémoire, ce qui n’est pas forcément la cible des analyses.

Qui se sert de Degate ? Est-ce une communauté de fans de consoles ou des professionnels confrontés à des puces qui ne sont plus documentées ou des gens du logiciel libre, etc. ?

Dès ses premiers jours, Degate a été pensé pour la cybersécurité. L’idée était de pouvoir faciliter l’analyse d’algorithmes implémentés directement dans les puces de silicium, à la fois pour essayer d’identifier des failles, mais aussi pour vérifier la présence de portes dérobées. En effet, d’un point de vue sécurité trop peu de personnes vont voir ces puces alors que tout dépend d’elles. Comment faire confiance à un système si l’on ne peut pas vérifier la sécurité de son composant le plus important et bas niveau ? Permettre à des chercheurs et passionnés d’attaquer le sujet est ma principale motivation quand je travaille sur Degate, le sujet est pour moi majeur. On a trop tendance à s’arrêter à la rétro-ingénierie logicielle, et c’est malheureusement un risque que l’on oublie trop.
Je sais aujourd’hui que Degate est utilisé (ou a été étudié) par des entreprises américaines dans le cadre de l’analyse de puces (je ne sais pas pour quel objectif), par la police allemande et par une université.

Malheureusement le domaine n’encourage pas beaucoup la communication et Degate pourrait être utilisé ailleurs. J’ai d’ailleurs de gros doutes sur son utilisation par une entreprise américaine sous forme de fork non-partagé (ne respectant alors pas la licence GPL qui est copyleft…). Mais ça, c’est un combat classique du monde libre (pour dire, on m’avait même proposé de me payer pour travailler dessus…).

Mais autrement, le logiciel peut être utilisé par d’autres communautés, comme pour les fans de vieux systèmes. Je sais que la communauté qui s’occupe de rétro-ingénierer la PlayStation s’est déjà intéressée à Degate ¹².

Concernant la sécurité, quels types de puces sont concernées ? J’imagine qu’il ne s’agit pas d’analyser les processeurs généralistes de nos ordinateurs… Ce sont des puces qu’on trouve dans quels matériels ?

C’est très large, généralement on parle de puces avec des missions/parties critiques. Par exemple (comme pour le cas MIFARE Classic), des puces implémentant des algorithmes cryptographiques sont importantes à regarder : au niveau logiciel on recommande (et c’est un euphémisme) de ne jamais réimplémenter ses propres primitives cryptographiques, pourtant beaucoup de puces le font (méthode simple pour booster les performances, aujourd’hui tout utilise de la cryptographie). Maintenant, on parle généralement de certaines parties/fonctions d’une puce plus que des puces entières. On peut par exemple citer en plus de la cryptographie tout ce qui concerne le stockage de données critiques (comme les clés de chiffrement). Aujourd’hui, je pense que l’on retrouve ces fonctionnalités dans tout type de matériel.

Comment en êtes-vous devenu le mainteneur ?

Comme je l’ai expliqué précédemment, c’est via un programme proposé par mon école d’ingénieur que j’ai été amené à travailler sur le sujet de la rétro-ingénierie matérielle à partir de fin 2018. Et comme Degate était le seul programme gratuit et open source permettant d’automatiser une partie du processus (indispensable pour arriver à des résultats sans y passer 10 ans), j’ai rapidement eu l’occasion de pouvoir l’utiliser. Malheureusement l’auteur originel du logiciel ne contribuait plus au projet depuis quasiment 8 ans à l’époque, et j’ai rapidement rencontré des difficultés pour l’utiliser plus largement dans mes recherches.

Après quelques mois de travail et un refactor à 70 % du projet (j’ai par exemple refait toute la GUI en Qt5 + OpenGL moderne) pour repartir sur de bonnes bases, j’ai publié mon fork sur Github. Par la suite Martin (l’auteur originel de Degate) a préféré mettre le projet initial en archive sur Github, et faire une redirection vers cette nouvelle version (aujourd’hui refaite à quasiment 80 % par moi-même). L’idée était de garder le nom et la communauté même si la grande majorité du logiciel a été refait.

Maintenant, suite à la fin de mes études, je dispose de moins de temps qu’avant et je suis forcément moins actif. Mais j’essaie de traiter toutes les issues et pull request, tout en continuant à travailler sur de nouvelles fonctionnalités. Je cherche également à faire pérenniser le projet en proposant à des étudiants comme moi (à l’époque) un financement pour travailler sur le sujet (et surtout Degate). Reste maintenant à trouver des personnes motivées, car le sujet est vraiment complexe.

Tu n’utiliseras donc pas Degate dans le cadre de ton travail ?

Aujourd’hui non, mais je sais que la question se pose pour des collègues. Le test d’intrusion matériel se développe, et le sujet se pose de plus en plus. Maintenant les compétences nécessaires pour s’attaquer à la rétro-ingénierie de puces de silicium sont un frein pour descendre aussi bas, sans compter le problème du matériel (faut-il encore pouvoir décaper/déstratifier les puces avant de pouvoir commencer l’analyse). La solution actuelle est de pouvoir accéder au design des puces (test en white box), mais les limites sont déjà visibles (un matériel est généralement composé de nombreuses puces de constructeurs différents).

Quelle est ta motivation ? Qu’est ce qui t’anime avec Degate ? Puisque tu as commencé l’informatique assez jeune, tu jouais peut-être avec des consoles ; est-ce que Degate te permet aussi d’imaginer recréer les puces de ton enfance ?

Étant aujourd’hui un ingénieur chercheur porté sur la cybersécurité, cela me force à voir Degate et la rétro-ingénierie matérielle à travers ce prisme. Pouvoir permettre à des chercheurs d’analyser des puces utilisées dans des millions de matériels à travers la planète est ce qui m’anime, même si je ne doute pas que bien d’autres cas d’utilisations peuvent être tout aussi intéressants. Je suis par exemple aussi très porté sur l’histoire, et la rétro-ingénierie matérielle est aussi un moyen de ne pas perdre certaines pièces de notre histoire.

Est-ce que vous tirez un revenu de ce travail ? Est-ce une bonne wafer ?

Je suis actuellement financé 100$/mois par le mainteneur principal de Rizin/Cutter (logiciel de rétro-ingénierie software) et j’ai déjà eu plusieurs autres propositions de financement. Ayant également publié des articles sur le sujet, j’ai quand même pu être rémunéré pour ce travail, mais on est très loin de quelque chose me permettant de vivre (et ce n’est pas l’objectif).

Pour finir

Que dire sur vos autres projets ?

Au niveau personnel je travaille (quand j’ai le temps) sur une nouvelle approche IA au service de la cybersécurité défensive. Malheureusement mon temps est très limité, et j’évite de trop m’éparpiller. Au niveau professionnel je suis aujourd’hui Tech Lead et Team Leader sur un projet d’automatisation de cybersécurité offensive. L’idée étant de créer un outil entièrement automatisé par IA permettant de jouer des attaques avec le même niveau de sophistication que les vrais acteurs (généralement quand je parle du projet on me parle de Skynet, pour ceux ayant la référence). Un produit devrait sortir dans les deux ans, nous avons déjà fait de nombreuses avancées scientifiques mais la route est encore longue. C’est aujourd’hui ce qui occupe le plus clair de mon temps !

Que pensez-vous de la directive NIS 2 sur la cybersécurité ?

La France a été pionnière en matière de réglementation dans le domaine de la cybersécurité, et je pense que la directive NIS 2 se place dans le même esprit que ce que l’on fait déjà depuis plusieurs années (avec la LPM de 2013 par exemple). Je sais que ces réglementations peuvent aussi faire peur, et l’accompagnement sera une condition nécessaire pour réussir son application. Malheureusement je pense qu’il est nécessaire d’agir au plus vite, les récents évènements géopolitiques ainsi que les (très) nombreuses attaques observées chaque semaine imposent d’investir dans la sécurité de nos entreprises. Je pense également que comme la NIS 1, la NIS 2 n’est qu’une étape, et que des évolutions seront nécessaires dans la prochaine décennie pour étendre les attentes concernant la sécurité des entreprises européennes.

Au niveau personnel, quels logiciels libres utilisez-vous, sur quel OS ?

J’utilise depuis maintenant quatre ans Manjaro, venant de Debian/Ubuntu, et je suis très satisfait (le modèle rolling release me plaît beaucoup à l’usage).

Au niveau professionnel, quels logiciels libres utilisez-vous, sur quel OS ?

Au niveau professionnel je tourne sur du Ubuntu 22.04, et j’utilise principalement du VS Code.

Quelle est votre distribution GNU/Linux préférée et pourquoi, quels sont vos logiciels libres préférés ?

Manjaro et Ubuntu sont les distributions que j’utilise dans la vie de tous les jours. Concernant les logiciels, la question est difficile puisque j’en utilise tellement. En ce moment je ne pourrais plus me passer de Joplin ou Signal, mais je pourrais en citer beaucoup (Virtual box, Kali linux, VSCode, Zotero…).

Références

Aller plus loin

• Degate (149 clics)
• Code source (39 clics)