FPGA Security Techniques with Applications to Cloud and Multi-Tenant Use Cases

Field programmable gate arrays (FPGAs) are integrated circuits that consist of programmable logic that a user can configure and deploy for applications such as hardware emulation and accelerating high performance computing. In recent years, the emergence of FPGAs in the cloud has led to research on multi-tenant FPGAs. In a multi-tenant scenario, the same FPGA fabric is shared among multiple users, or among multiple untrusting IP cores. Multi-tenancy has economic benefits, largely due to improvements in resource utilization, but also brings new security concerns since the tenants could behave maliciously. Although the tenants sharing an FPGA are logically isolated from each other, they may still have unintended interactions through side channel attacks and fault attacks. In this dissertation, we aim to evaluate security threats and defenses in the multi-tenant FPGA scenario. Firstly, the work in this dissertation studies a true random number generator (TRNG) on cloud FPGAs that is robust against voltage manipulation from co-tenants. The TRNG design is based on harvesting clock jitter using a tunable time-to-digital converter circuit. In accordance with best practices, a stochastic model is built to evaluate the min-entropy of the design, and further validated by NIST entropy assessment test suite and NIST statistical tests. The basic version of the TRNG is extended with a linkable sampling module to increase min-entropy per sample and throughput at a modest resource cost. Then the dissertation analyzes a type of fault attack that can be conducted by one tenant against another in a multi-tenant setting. Specifically, the fault attack is differential fault intensity analysis (DFIA), which is a biased-fault based attack on Advanced Encryption Standard (AES) circuits. Ring oscillators (ROs) are deployed as effective power wasters to cause a supply voltage drop through the shared power distribution network (PDN) of tenants. The attack is highly relevant to multi-tenant scenarios because the attacking tenant can create the voltage drop without physical access, and can precisely control the shape of the voltage drop by adjusting both the number of activated ROs and their duration as required for the attack. The voltage drop will in turn increase the delay in the logic and eventually cause specific timing faults which are analyzed to successfully recover the AES keys. In the last part, we use on-chip voltage sensors to detect the location of a target circuits. The sensing scheme leverages time-to-digital converters (TDCs) as voltage sensors, and a novel differential analysis is applied to the sensor data. In a multi-tenant setting, this method can be used either as part of a defensive scheme to monitor against attacks, or it can be used to probe a system and determine how to effectively target an attack to a particular co-tenant victim

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

CloudMoles: Surveillance of Power-Wasting Activities by Infiltrating Undercover Sensors

An important security risk in cloud Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) is power wasting, occurring when a design exercises excessive switching activity with the intention to cause voltage-drop related faults in the host FPGA or, in the extreme case, FPGA reset and denial-of-service. In this paper, we introduce the idea of infiltrating undercover sensors for monitoring the fluctuations of FPGA core voltage. Our approach ensures that the shell has full control over sensor placement, done so that FPGA users do not have to sacrifice an inch of their design space nor to be aware that the voltage-fluctuations caused by their design are being monitored. Additionally, we describe how to design voltage-drop sensors that have higher coverage than the state-of-the-art alternatives and experimentally demonstrate that our sensors are indeed able to accurately monitor voltage fluctuations across the entire FPGA. Finally, we propose a novel metric which, after applied on sensor measurements, reveals the location of the source of the highest activity on the FPGA

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Dynamic Polymorphic Reconfiguration to Effectively “CLOAK” a Circuit’s Function

Today\u27s society has become more dependent on the integrity and protection of digital information used in daily transactions resulting in an ever increasing need for information security. Additionally, the need for faster and more secure cryptographic algorithms to provide this information security has become paramount. Hardware implementations of cryptographic algorithms provide the necessary increase in throughput, but at a cost of leaking critical information. Side Channel Analysis (SCA) attacks allow an attacker to exploit the regular and predictable power signatures leaked by cryptographic functions used in algorithms such as RSA. In this research the focus on a means to counteract this vulnerability by creating a Critically Low Observable Anti-Tamper Keeping Circuit (CLOAK) capable of continuously changing the way it functions in both power and timing. This research has determined that a polymorphic circuit design capable of varying circuit power consumption and timing can protect a cryptographic device from an Electromagnetic Analysis (EMA) attacks. In essence, we are effectively CLOAKing the circuit functions from an attacker