Fault Injection using Crowbars on Embedded Systems

Causing a device to incorrectly execute an instruction or store faulty data is well-known strategy for attacking cryptographic implementations on embedded systems. One technique to generate such faults is to manipulate the supply voltage of the device. This paper introduces a novel technique to introduce those supply voltage manipulations onto existing digital systems, requiring minimal modifications to the device being attacked. This uses a crowbar to short the power supply for controlled periods of time. High-accuracy faults are demonstrated on the 8-bit AVR microcontroller, which can generate both single and multi-bit faults with high repeatability. Additionally this technique is demonstrated on a FPGA where it is capable of generating faults in both internal registers and the configuration fabric

ASSESSING AND IMPROVING THE RELIABILITY AND SECURITY OF CIRCUITS AFFECTED BY NATURAL AND INTENTIONAL FAULTS

The reliability and security vulnerability of modern electronic systems have emerged as concerns due to the increasing natural and intentional interferences. Radiation of high-energy charged particles generated from space environment or packaging materials on the substrate of integrated circuits results in natural faults. As the technology scales down, factors such as critical charge, voltage supply, and frequency change tremendously that increase the sensitivity of integrated circuits to natural faults even for systems operating at sea level. An attacker is able to simulate the impact of natural faults and compromise the circuit or cause denial of service. Therefore, instead of utilizing different approaches to counteract the effect of natural and intentional faults, a unified countermeasure is introduced. The unified countermeasure thwarts the impact of both reliability and security threats without paying the price of more area overhead, power consumption, and required time. This thesis first proposes a systematic analysis method to assess the probability of natural faults propagating the circuit and eventually being latched. The second part of this work focuses on the methods to thwart the impact of intentional faults in cryptosystems. We exploit a power-based side-channel analysis method to analyze the effect of the existing fault detection methods for natural faults on fault attack. Countermeasures for different security threats on cryptosystems are investigated separately. Furthermore, a new micro-architecture is proposed to thwart the combination of fault attacks and side-channel attacks, reducing the fault bypass rate and slowing down the key retrieval speed. The third contribution of this thesis is a unified countermeasure to thwart the impact of both natural faults and attacks. The unified countermeasure utilizes dynamically alternated multiple generator polynomials for the cyclic redundancy check (CRC) codec to resist the reverse engineering attack

A Thorough Evaluation of RAMBAM

The application of masking, widely regarded as the most robust and reliable countermeasure against Side-Channel Analysis (SCA) attacks, has been the subject of extensive research across a range of cryptographic algorithms, especially AES. However, the implementation cost associated with applying such a countermeasure can be significant and even in some scenarios infeasible due to considerations such as area and latency overheads, as well as the need for fresh randomness to ensure the security properties of the resulting design. Most of these overheads originate from the ability to maintain security in the presence of physical defaults such as glitches and transitions. Among several schemes with a trade-off between such overheads, RAMBAM, presented at CHES 2022, offers an ultra-low latency in terms of the number of clock cycles. It is dedicated to the AES and utilizes redundant representations of the finite field elements to enhance protection against both passive and active physical attacks. In this paper, we have a deeper look at this technique and provide a comprehensive analysis. The original authors reported that the number of required traces to mount a successful attack increases exponentially with the size of the redundant representation. We however examine their scheme from theoretical point of view. More specifically, we investigate the relationship between RAMBAM and the well-established Boolean masking and, based on this, prove the insecurity of RAMBAM. Through the examples and use cases, we assess the leakage of the scheme in practice and use verification tools to demonstrate that RAMBAM does not necessarily offer adequate protection against SCA attacks neither in theory nor in practice. Confirmed by real-world experiments, we additionally highlight that -- if no dedicated facility is incorporated -- the RAMBAM designs are susceptible to fault-injection attacks despite providing some degree of protection against a sophisticated attack vector, i.e., SIFA

The First Thorough Side-Channel Hardware Trojan

Hardware Trojans have gained high attention in academia, industry and by government agencies. The effective detection mechanisms and countermeasures against such malicious designs are only possible when there is a deep understanding of how hardware Trojans can be built in practice. In this work, we present a mechanism which shows how easily a stealthy hardware Trojan can be inserted in a provably-secure side-channel analysis protected implementation. Once the Trojan is triggered, the malicious design exhibits exploitable side-channel leakage leading to successful key recovery attacks. Such a Trojan does not add or remove any logic (even a single gate) to the design which makes it very hard to detect. In ASIC platforms, it is indeed inserted by subtle manipulations at the sub-transistor level to modify the parameters of a few transistors. The same is applicable on FPGA applications by changing the routing of particular signals, leading to null resource utilization overhead. The underlying concept is based on a secure masked hardware implementation which does not exhibit any detectable leakage. However, by running the device at a particular clock frequency one of the requirements of the underlying masking scheme is not fulfilled anymore, i.e., the Trojan is triggered, and the device\u27s side-channel leakage can be exploited. Although as a case study we show an application of our designed Trojan on an FPGA-based threshold implementation of the PRESENT cipher, our methodology is a general approach and can be applied on any similar circuit

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

Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

In der fortlaufenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen werden physikalische Grenzen erreicht, wobei beispielsweise Einzelatomtransistoren eine mögliche untere Grenze für Strukturgrößen darstellen. Zudem ist die Herstellung der neuesten Generationen von Mikrochips heutzutage finanziell nur noch von großen, multinationalen Unternehmen zu stemmen. Aufgrund dieser Entwicklung ist Miniaturisierung nicht länger die treibende Kraft um die Leistung von elektronischen Komponenten weiter zu erhöhen. Stattdessen werden klassische Computerarchitekturen mit generischen Prozessoren weiterentwickelt zu heterogenen Systemen mit hoher Parallelität und speziellen Beschleunigern. Allerdings wird in diesen heterogenen Systemen auch der Schutz von privaten Daten gegen Angreifer zunehmend schwieriger. Neue Arten von Hardware-Komponenten, neue Arten von Anwendungen und eine allgemein erhöhte Komplexität sind einige der Faktoren, die die Sicherheit in solchen Systemen zur Herausforderung machen. Kryptografische Algorithmen sind oftmals nur unter bestimmten Annahmen über den Angreifer wirklich sicher. Es wird zum Beispiel oft angenommen, dass der Angreifer nur auf Eingaben und Ausgaben eines Moduls zugreifen kann, während interne Signale und Zwischenwerte verborgen sind. In echten Implementierungen zeigen jedoch Angriffe über Seitenkanäle und Faults die Grenzen dieses sogenannten Black-Box-Modells auf. Während bei Seitenkanalangriffen der Angreifer datenabhängige Messgrößen wie Stromverbrauch oder elektromagnetische Strahlung ausnutzt, wird bei Fault Angriffen aktiv in die Berechnungen eingegriffen, und die falschen Ausgabewerte zum Finden der geheimen Daten verwendet. Diese Art von Angriffen auf Implementierungen wurde ursprünglich nur im Kontext eines lokalen Angreifers mit Zugriff auf das Zielgerät behandelt. Jedoch haben bereits Angriffe, die auf der Messung der Zeit für bestimmte Speicherzugriffe basieren, gezeigt, dass die Bedrohung auch durch Angreifer mit Fernzugriff besteht. In dieser Arbeit wird die Bedrohung durch Seitenkanal- und Fault-Angriffe über Fernzugriff behandelt, welche eng mit der Entwicklung zu mehr heterogenen Systemen verknüpft sind. Ein Beispiel für neuartige Hardware im heterogenen Rechnen sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), mit welchen sich fast beliebige Schaltungen in programmierbarer Logik realisieren lassen. Diese Logik-Chips werden bereits jetzt als Beschleuniger sowohl in der Cloud als auch in Endgeräten eingesetzt. Allerdings wurde gezeigt, wie die Flexibilität dieser Beschleuniger zur Implementierung von Sensoren zur Abschätzung der Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann. Zudem können durch eine spezielle Art der Aktivierung von großen Mengen an Logik Berechnungen in anderen Schaltungen für Fault Angriffe gestört werden. Diese Bedrohung wird hier beispielsweise durch die Erweiterung bestehender Angriffe weiter analysiert und es werden Strategien zur Absicherung dagegen entwickelt

ParTI -- Towards Combined Hardware Countermeasures against Side-Channel and Fault-Injection Attacks

Side-channel analysis and fault-injection attacks are known as major threats to any cryptographic implementation. Hardening cryptographic implementations with appropriate countermeasures is thus essential before they are deployed in the wild. However, countermeasures for both threats are of completely different nature: Side-channel analysis is mitigated by techniques that hide or mask key-dependent information while resistance against fault-injection attacks can be achieved by redundancy in the computation for immediate error detection. Since already the integration of any single countermeasure in cryptographic hardware comes with significant costs in terms of performance and area, a combination of multiple countermeasures is expensive and often associated with undesired side effects. In this work, we introduce a countermeasure for cryptographic hardware implementations that combines the concept of a provably-secure masking scheme (i.e., threshold implementation) with an error detecting approach against fault injection. As a case study, we apply our generic construction to the lightweight LED cipher. Our LED instance achieves first-order resistance against side-channel attacks combined with a fault detection capability that is superior to that of simple duplication for most error distributions at an increased area demand of 12%

A Masked Pure-Hardware Implementation of Kyber Cryptographic Algorithm

Security against side-channel assisted attacks remains a focus and concern in the ongoing standardization process of quantum-computer-resistant cryptography algorithms. Hiding and masking techniques are currently under investigation to protect the Post-Quantum Cryptography (PQC) algorithms in the NIST PQC standardization process against sophisticated side-channel attacks. Between hiding and masking, masking is emerging as a popular option due to its simplicity and minimized cost of implementation compared with hiding, which often requires duplication of hardware resources and advanced analysis and design techniques to implement correctly. This work presents a pure hardware implementation of masked CCA2-secure Kyber-512, a candidate chosen by NIST to be standardized. A novel hiding technique that leverages the advantages of FPGAs over micro-controllers and is demonstrably secure against Simple Power Analysis (SPA) and Differential Power Analysis (DPA) side-channel attacks is presented. Finally, a novel hybrid hiding-masking approach is presented that achieves a reduced hardware resource and clock-cycle penalty compared with previously reported figures for similar PQC candidates. The Test Vector Leakage Assessment (TVLA) is adopted to demonstrate the absence of side-channel leakage

StaTI: Protecting against Fault Attacks Using Stable Threshold Implementations

Fault attacks impose a serious threat against the practical implementations of cryptographic algorithms. Statistical Ineffective Fault Attacks (SIFA), exploiting the dependency between the secret data and the fault propagation overcame many of the known countermeasures. Later, several countermeasures have been proposed to tackle this attack using error detection methods. However, the efficiency of the countermeasures, in part governed by the number of error checks, still remains a challenge. In this work, we propose a fault countermeasure, StaTI, based on threshold implementations and linear encoding techniques. The proposed countermeasure protects the implementations of cryptographic algorithms against both side-channel and fault adversaries in a non-combined attack setting. We present a new composable notion, stability, to protect a threshold implementation against a formal gate/register-faulting adversary. Stability ensures fault propagation, making a single error check of the output suffice. To illustrate the stability notion, first, we provide stable encodings of the XOR and AND gates. Then, we present techniques to encode threshold implementations of S-boxes, and provide stable encodings of some quadratic S-boxes together with their security and performance evaluation. Additionally, we propose general encoding techniques to transform a threshold implementation of any function (e.g., non-injective functions) to a stable one. We then provide an encoding technique to use in symmetric primitives which encodes state elements together significantly reducing the encoded state size. Finally, we used StaTI to implement a secure Keccak on FPGA and report on its efficiency