18 research outputs found

    PERFORMANCE ANALYSIS OF WATERMARKING APPROACH FOR VLSI DESIGN INTELLECTUAL PROPERTY PROTECTION

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    VLSI technology brought revolution in EDA industry. Fabrication of complicated system on a chip is possible by using reusable module called Intellectual Property (IP) core. IP cores that became an integral part of the electronic design industry influenced and had a rather significant and almost incomparable impact with respect to system designing in any chip. IP designs for any organization are imperative; contrary, IP designs that are shared can significantly cause high security risks. The majority of IP’s require time as well as effort for purposes of designing and verification, however there still remains the possibility of these being copied or minor modifications to hide proof of ownership. To overcome this problem watermarking technique is recommended for IP Core protection. Watermark insertion in multilevel increases the security of the system. In this paper the ownership information is inserted in state transition outputs of State Transition Graph employing hierarchical representation of Finite state Machine (FSM) and subsequently in the netlist level by embedding watermark in the delay between the states. Watermark insertion at two levels increases the security of the design. Signature generation uses cryptographic algorithm for enhancing the security of the IP core designs. The experimental results show that performance is improved

    FPGA-Based PUF Designs: A Comprehensive Review and Comparative Analysis

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    Field-programmable gate arrays (FPGAs) have firmly established themselves as dynamic platforms for the implementation of physical unclonable functions (PUFs). Their intrinsic reconfigurability and profound implications for enhancing hardware security make them an invaluable asset in this realm. This groundbreaking study not only dives deep into the universe of FPGA-based PUF designs but also offers a comprehensive overview coupled with a discerning comparative analysis. PUFs are the bedrock of device authentication and key generation and the fortification of secure cryptographic protocols. Unleashing the potential of FPGA technology expands the horizons of PUF integration across diverse hardware systems. We set out to understand the fundamental ideas behind PUF and how crucially important it is to current security paradigms. Different FPGA-based PUF solutions, including static, dynamic, and hybrid systems, are closely examined. Each design paradigm is painstakingly examined to reveal its special qualities, functional nuances, and weaknesses. We closely assess a variety of performance metrics, including those related to distinctiveness, reliability, and resilience against hostile threats. We compare various FPGA-based PUF systems against one another to expose their unique advantages and disadvantages. This study provides system designers and security professionals with the crucial information they need to choose the best PUF design for their particular applications. Our paper provides a comprehensive view of the functionality, security capabilities, and prospective applications of FPGA-based PUF systems. The depth of knowledge gained from this research advances the field of hardware security, enabling security practitioners, researchers, and designers to make wise decisions when deciding on and implementing FPGA-based PUF solutions.publishedVersio

    N-variant Hardware Design

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    The emergence of lightweight embedded devices imposes stringent constraints on the area and power of the circuits used to construct them. Meanwhile, many of these embedded devices are used in applications that require diversity and flexibility to make them secure and adaptable to the fluctuating workload or variable fabric. While field programmable gate arrays (FPGAs) provide high flexibility, the use of application specific integrated circuits (ASICs) to implement such devices is more appealing because ASICs can currently provide an order of magnitude less area and better performance in terms of power and speed. My proposed research introduces the N-variant hardware design methodology that adds the sufficient flexibility needed by such devices while preserving the performance and area advantages of using ASICs. The N-variant hardware design embeds different variants of the design control part on the same IC to provide diversity and flexibility. Because the control circuitry usually represents a small fraction of the whole circuit, using multiple versions of the control circuitry is expected to have a low overhead. The objective of my thesis is to formulate a method that provides the following advantages: (i) ease of integration in the current ASIC design flow, (ii) minimal impact on the performance and area of the ASIC design, and (iii) providing a wide range of applications for hardware security and tuning the performance of chips either statically (e.g., post-silicon optimization) or dynamically (at runtime). This is achieved by adding diversity at two orthogonal levels: (i) state space diversity, and (ii) scheduling diversity. State space diversity expands the state space of the controller. Using state space diversity, we introduce an authentication mechanism and the first active hardware metering schemes. On the other hand, scheduling diversity is achieved by embedding different control schedules in the same design. The scheduling diversity can be spatial, temporal, or a hybrid of both methods. Spatial diversity is achieved by implementing multiple control schedules that use various parts of the chip at different rates. Temporal diversity provides variants of the controller that can operate at unequal speeds. A hybrid of both spatial and temporal diversities can also be implemented. Scheduling diversity is used to add the flexibility to tune the performance of the chip. An application of the thermal management of the chip is demonstrated using scheduling diversity. Experimental results show that the proposed method is easy to integrate in the current ASIC flow, has a wide range of applications, and incurs low overhead

    Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

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    Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

    Secure lightweight obfuscated delay-based physical unclonable function design on FPGA

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    The internet of things (IoT) describes the network of physical objects equipped with sensors and other technologies to exchange data with other devices over the Internet. Due to its inherent flexibility, field-programmable gate array (FPGA) has become a viable platform for IoT development. However, various security threats such as FPGA bitstream cloning and intellectual property (IP) piracy have become a major concern for this device. Physical unclonable function (PUF) is a promising hardware finger-printing technology to solve the above problems. Several PUFs have been proposed, including the implementation of reconfigurable-XOR PUF (R-XOR PUF) and multi-PUF (MPUF) on the FPGA. However, these proposed PUFs have drawbacks, such as high delay imbalances caused by routing constraints. Therefore, in this study, we explore relative placement method to implement the symmetric routing in the obfuscated delay- based PUF on the FPGA board. The delay analysis result proves that our methodto implement the symmetric routing was successful. Therefore, our work has achieved good PUF quality with uniqueness of 48.75%, reliability of 99.99%, and uniformity of 52.5%. Moreover, by using the obfuscation method, which is an Arbiter-PUF combined with a random challenge permutation technique, we reduced the vulnerability of Arbiter-PUF against machine learning attacks to 44.50%

    SECURING FPGA SYSTEMS WITH MOVING TARGET DEFENSE MECHANISMS

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    Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) enter a rapid growth era due to their attractive flexibility and CMOS-compatible fabrication process. However, the increasing popularity and usage of FPGAs bring in some security concerns, such as intellectual property privacy, malicious stealthy design modification, and leak of confidential information. To address the security threats on FPGA systems, majority of existing efforts focus on counteracting the reverse engineering attacks on the downloaded FPGA configuration file or the retrieval of authentication code or crypto key stored on the FPGA memory. In this thesis, we extensively investigate new potential attacks originated from the untrusted computer-aided design (CAD) suite for FPGAs. We further propose a series of countermeasures to thwart those attacks. For the scenario of using FPGAs to replace obsolete aging components in legacy systems, we propose a Runtime Pin Grounding (RPG) scheme to ground the unused pins and check the pin status at every clock cycle, and exploit the principle of moving target defense (MTD) to develop a hardware MTD (HMTD) method against hardware Trojan attacks. Our method reduces the hardware Trojan bypass rate by up to 61% over existing solutions at the cost of 0.1% more FPGA utilization. For general FPGA applications, we extend HMTD to a FPGA-oriented MTD (FOMTD) method, which aims for thwarting FPGA tools induced design tampering. Our FOMTD is composed of three defense lines on user constraints file, random design replica selection, and runtime submodule assembling. Theoretical analyses and FPGA emulation results show that proposed FOMTD is capable to tackle three levels’ attacks from malicious FPGA design software suite
    corecore