Ecran à pixels magnétiques
et chiffrement

" And there is no code or electronics to be hacked "

Il existe depuis des lustres des afficheurs électromécaniques où on retourne un pixel aimanté avec une bobine (des "flip-dots") :

On remarquera l'absence de source de lumière, et que si le courant est coupé, alors l'affichage ne change pas. C'est un gros avantage du point de vue consommation électrique tant que l'on n'a pas besoin de faire des animations.

Ce fut très utilisé pour les panneaux d'affichage dans les aéroports par exemple.

Et on sait aussi faire plus miniature, il existe toute une tirée de méthodes pour faire un afficheur "non émissif" = qui n'émet pas de lumière, et l'article scientifique le rappelle très bien.

Par exemple, une technique répandue pour le papier électronique (e-paper) consiste à déplacer des billes électriquement chargées sous un champ électrique (écrans électrophorétiques) :

Le gros avantage est qu'une fois le déplacement réalisé, on peut couper le courant, l'affichage reste stable, d'où la dénomination de "papier électronique" ou e-paper.

Les chercheurs de l'université du Michigan ont trouvé le moyen de fabriquer des petites billes, avec une moitié blanche neutre magnétiquement parlant et une moitié dorée particulière :

La moitié magnétique comporte deux sortes de particules :

1. un matériau ferromagnétique FM (genre aimants néodymes), avec beaucoup de rémanence, qui conserve le magnétisme lorsque l'on enlève le champ magnétique.
2. des SPIONs, un matériau superparamagnétique peu rémanent, qui perd le magnétisme quand on enlève le champ.

Il est possible de choisir les quantités/la proportion de chacun des deux types de matériau magnétique, ce qui permet de réaliser certaines opérations qui ne seront pas utiles pour comprendre la partie cryptographique, mais rien ne vous interdit d'aller éplucher l'article original et de vous perdre dans des cas bizarres.

On va simplement retenir que ces billes sont des petits aimants, qui vont s'aligner telles de petites boussoles dans un champ magnétique. Ce sera largement suffisant pour la suite.

Une fois que les billes ont effectué leur rotation sous l'action du champ magnétique, si on le retire, il ne se passe rien : les billes restent comme elles sont, et ce que l'on voit ne change plus (dans une certaine mesure, voir plus loin).

C'est évidemment plus intéressant de réaliser une matrice de petits champs magnétiques locaux (une matrice de pixels magnétiques), où on pourra choisir le sens du champ, et ainsi avoir des pixels "blancs ou foncés", permettant de former une image :

Sur le mécanisme, cela ressemble beaucoup aux flip-dots décrits précédemment, mais ce n'est pas une matrice de bobines qui est utilisée, c'est un aimant dont on a gravé le pattern magnétique auparavant (ce qui parait fort peu commode à l'usage, mais bon c'est secondaire).

Mais on peut faire bien mieux.

Le matériau ferromagnétique des billes est rémanent. Si on applique un champ dit coercitif supérieur à une certaine valeur, alors cela oriente le matériau qui conservera l'aimantation et c'est ce qui a été fait pour orienter les billes toutes dans le même sens

Et il ne faut pas se louper lors de la fabrication, mais les chercheurs ont été malins en utilisant une hybridation entre les matériaux pour réaliser l'alignement géométrique des sphères et de l'aimantation -supporting information fig 6-.

Ceci permet d'orienter certains pixels dans un sens, et les autres dans le sens inverse. Pour relire la mémoire, on l'expose à un champ magnétique uniforme qui révèle le pattern, ou le pattern négatif si on s'est trompé de sens !

MAIS il ne faut pas secouer ! On le voit dans la vidéo, ça marche comme un Télécran mais si, cet écran où on dessinait péniblement avec les deux boutons, et on effaçait en le secouant à l'envers.

Ceci dit, c'est un choix, car on peut bien s'arranger pour que les billes soient dans un liquide visqueux adéquat, qui permet ou non de se retourner facilement.

Là où ça devient franchement inhabituel pour un écran, c'est que l'on peut réaliser des opérations logiques.

En fait, on vient déjà d'en faire une en inversant le sens du champ magnétique lors de la lecture de l'enregistrement non-volatile. En effet, on constate qu'il faut que le champ magnétique soit identique à l'enregistrement pour voir l'image enregistrée, et l'image est inversée avec un champ magnétique opposé. C'est l'opération logique XOR ou-exclusif qui est réalisée si on affecte "0" au champ magnétique direct et "1" au champ magnétique inversé.

En présentant un nouveau pattern de champ magnétique, on obtiendra le résultat du XOR :

Le XOR est l'opération de chiffrement la plus simple en cryptographie.

• C'est un chiffrement inviolable, à la condition expresse que la clé de chiffrement ne serve qu'une seule fois.
• Elle requiert une clé aussi longue que le message à chiffrer, puisque l'on exécute un XOR bit à bit.

C'est un chiffrement dit "symétrique", Alice et Bob doivent tous les deux posséder la (même) clé pour chiffrer puis déchiffrer le message en réalisant un XOR, ce qui pose immédiatement le problème délicat de la transmission de la clé de chiffrement.

Alors évidemment, les auteurs ont voulu appliquer ce principe de chiffrement à leur afficheur, nous allons vérifier ce qu'ils proposent.

Pour commencer, voici une paraphrase de ce que les auteurs expliquent :

1. Le message secret est l'image d'un anneau.
2. On applique un premier pattern de pixels magnétiques, que les auteurs appellent "encryption key". Ce pattern est mémorisé dans un écran, et on peut le révéler avec un champ magnétique homogène, c'est le message public. Ici, il a l'allure d'une croix.
3. Pour obtenir le message secret, il faut impérativement avoir la clé de déchiffrement dite "decryption key", aussi appelée "reading key" dans le texte bonjour la clarté.

Alors effectivement, impossible d'obtenir le message secret sans appliquer la "decryption key" puisqu'il s'agit d'un XOR.

Mouais, enfin ce que j'ai crû comprendre après réflexion.

J'ai donc supposé qu'au départ, le message avait été combiné par XOR avec la clé de chiffrement, et que ce qu'ils appellent "encryption key" est en fait le message chiffré, et pas du tout la clé de chiffrement.

La vraie clé, de chiffrement et déchiffrement (c'est la même) est la "decryption key".

Je vous présente Alice et Bob, les comparses habituels dans ce genre de transmission de message pour clarifier tout ça. Alice veut transmettre un message secret à Bob, qui est l'image d'un anneau.

Pour réaliser cela, Alice et Bob utiliseront une clé, = un pattern de pixels magnétiques, qui servira à faire un XOR au départ (chiffrement) puis à l'arrivée (déchiffrement).

Mais il faudra transmettre cette clé à un moment ou un autre.

Alice et Bob sont planqués dans un coffre-fort, puisqu'il s'agit de secrets, mais c'est secondaire.

Alice aura transmis à Bob cette clé de chiffrement sous bonne garde, ce qui n'est pas facile ni commode à faire c'était la méthode de chiffrement du téléphone rouge USA-URSS, autant dire qu'on lui fait confiance.

Alice doit maintenant créer ce qu'on appelle le chiffré, le message clair chiffré avec la clé de chiffrement. Dans le cas présent, Alice doit calculer (numériquement) le XOR entre le message à transmettre et la clé de chiffrement, fabriquer le pattern de pixels magnétiques résultant, ce que ces blaireaux de l'université du Michigan ont appelé "encryption key" qui n'est absolument pas une clé de chiffrement.

Alice commence par chiffrer son message (l'image d'un anneau) avec la clé de chiffrement. Pour cela, elle calcule et fabrique le pattern de pixels magnétiques correspondant au chiffré (l'espèce de croix).

Puis Alice inscrit magnétiquement le chiffré dans un afficheur vierge.

Le chiffré est public, on peut l'envoyer dans la nature à destination de Bob, si quelqu'un essaye de lire l'afficheur avec un champ magnétique homogène, il verra l'espèce de croix qui a été inscrite dans cet exemple particulier.

A réception, Bob applique le pattern de pixels magnétiques qui est la clé de chiffrement/déchiffrement qu'Alice a envoyé par un canal sécurisé auparavant. Le message secret apparait. Et Bob détruit la clé qui ne pourra plus jamais servir.

Et voilà !

Habituellement, on exhibe les avantages et les inconvénients, mais là, j'ai un peu de mal avec les avantages.

Au minimum côté pratique :

1. Bob doit fabriquer une clé de chiffrement/déchiffrement à partir de plans numériques fournis par Alice, transmis secrètement sous bonne garde. Cela peut être Bob qui crée la clé et envoie les plans à Alice, ça ne changera pas grand-chose, il faut se peler le transport sécurisé de la clé.
2. Alice doit calculer numériquement le pattern de pixels magnétiques résultant du XOR entre le message secret à transmettre et la clé de chiffrement/déchiffrement, le résultat étant appelé le chiffré, puis le fabriquer matériellement de manière à pouvoir écrire le chiffré dans un afficheur vierge.
3. Et tout ça doit s'exécuter dans un environnement sécurisé, un peu évident, mais bon, on ne pourra pas faire cela à l'intérieur d'une puce électronique, il faut du matériel de fabrication.
4. Puis Alice doit transmettre physiquement l'afficheur chiffré à Bob, c'est lent, médiéval, mais inhérent à la proposition.

Mais ce n'est pas tout :

• Une clé ne pourra servir qu'une seule fois. C'est la condition pour que le système soit inviolable. Si Eve, l'attaquante, peut obtenir plusieurs messages codés avec la même clé, alors elle pourra "remonter" à la clé de chiffrement.
• S'il prenait à Alice l'idiotie d'envoyer une seconde fois le même message secret en utilisant la même clé, le chiffré serait exactement identique, ce qui donne l'information supplémentaire "c'est le même message qu'avant". Si c'était un ordre de bombardement, l'ennemi aura vite fait de comprendre la signification sans avoir décrypté le message... Et c'est pour ça qu'à chaque transmission de message, c'est mieux d'ajouter du "sel" aléatoire pour éviter ce genre de bêtise.
• La clé doit être parfaitement alignée sur l'afficheur, sans décalage ni rotation d'aucune sorte. Cela parait un peu évident, mais c'est bon de le préciser.

Les auteurs ont bien pris soin de montrer des images symétriques par rotation pour leurs histoires de chiffrement ah tiens, maintenant que tu le dis, c'est vrai ça et je trouve cela un peu cavalier, c'est cacher les problèmes sous le tapis.

On se rend immédiatement compte qu'un tel système est carrément inutilisable en pratique, sauf à envoyer un camion de clés de chiffrement sous bonne garde...

C'est vraiment une fausse bonne idée.

Les auteurs ont poussé le vice ou ils se croyaient plus malins ? à illustrer l'utilisation de plusieurs clés, ce qui rend les choses encore plus confusantes.

Je n'ai rien compris. Comment le même chiffré pourrait-il contenir 3 messages différents ? Cela tient du miracle, car on a :

En fait, les auteurs ont réussi à calculer 3 messages clairs différents donnant le même chiffré, probablement facilité par la symétrie et la simplicité des motifs...

Ceci ne correspond à aucun usage pratique enfin, je n'ai pas trouvé, c'est plus compliqué pour un avantage très discutable (un seul pattern de pixels magnétiques à fabriquer ? Tout ça pour ça ?)

Usage de 3 clés différentes, semble-t-il ? Encore heureux que l'on puisse le faire. Si ça marche une fois, ça marchera trois fois...

Ces blaireaux ont carrément utilisé les termes "three different paired decryption keys reading the same private message", qui n'est jamais que trois fois l'utilisation du même système. Les clés ne sont pas appairées, c'est juste qu'ils confondent chiffré et clé de chiffrement. Ils s'enfoncent, à se demander s'ils comprennent ce qu'ils font.

Un doute me ronge à propos du chiffrement, ce qui pourrait donner un moyen de casser le système.

• Nous sommes en face d'une matrice de pixels magnétiques, et chaque pixel possède une frontière avec ses voisins.
• C'est également le cas de la clé de chiffrement, chaque pixel de la clé possède une certaine taille et des voisins.

Au moment où on exécute le XOR, l'alignement ne sera pas parfait, et de toutes manières, les bordures de chaque pixel seront incertaines, aussi le centre des pixels présentera le résultat voulu, mais aux frontières, on aura plusieurs cas qui se mélangent. Et en particulier, on utilisera le même bit/pixel de chiffrement, principalement pour chiffrer le bit/pixel message, mais également un peu de ses voisins. Et plusieurs fois, car si les pixels sont carrés, ils ont 4 voisins (en ignorant les angles...).

Ce qui n'arrange pas les choses, c'est qu'un pixel est constitué de nombreuses billes individuelles, donc autant de "sous-pixels" transportant l'information.

Ce qui implique qu'un bit de chiffrement est en fait utilisé plusieurs fois, ce qui déroge à la sacro-sainte règle de n'utiliser qu'une et une seule fois la clé, au risque de donner le moyen de remonter à la clé, et de casser le système.

Est-ce que cet effet de bord est exploitable ? Disons que mon radar perso est en alerte rouge, je sens mal le coup.