FPGA based remote code integrity verification of programs in distributed embedded systems

The explosive growth of networked embedded systems has made ubiquitous and pervasive computing a reality. However, there are still a number of new challenges to its widespread adoption that include scalability, availability, and, especially, security of software. Among the different challenges in software security, the problem of remote-code integrity verification is still waiting for efficient solutions. This paper proposes the use of reconfigurable computing to build a consistent architecture for generation of attestations (proofs) of code integrity for an executing program as well as to deliver them to the designated verification entity. Remote dynamic update of reconfigurable devices is also exploited to increase the complexity of mounting attacks in a real-word environment. The proposed solution perfectly fits embedded devices that are nowadays commonly equipped with reconfigurable hardware components that are exploited to solve different computational problems

Anti-Tamper Method for Field Programmable Gate Arrays Through Dynamic Reconfiguration and Decoy Circuits

As Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) become more widely used, security concerns have been raised regarding FPGA use for cryptographic, sensitive, or proprietary data. Storing or implementing proprietary code and designs on FPGAs could result in the compromise of sensitive information if the FPGA device was physically relinquished or remotely accessible to adversaries seeking to obtain the information. Although multiple defensive measures have been implemented (and overcome), the possibility exists to create a secure design through the implementation of polymorphic Dynamically Reconfigurable FPGA (DRFPGA) circuits. Using polymorphic DRFPGAs removes the static attributes from their design; thus, substantially increasing the difficulty of successful adversarial reverse-engineering attacks. A variety of dynamically reconfigurable methodologies exist for implementation that challenge designers in the reconfigurable technology field. A Hardware Description Language (HDL) DRFPGA model is presented for use in security applications. The Very High Speed Integrated Circuit HDL (VHSIC) language was chosen to take advantage of its capabilities, which are well suited to the current research. Additionally, algorithms that explicitly support granular autonomous reconfiguration have been developed and implemented on the DRFPGA as a means of protecting its designs. Documented testing validates the reconfiguration results and compares power usage, timing, and area estimates from a conventional and DRFPGA model

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

Adaptable Security in Wireless Sensor Networks by Using Reconfigurable ECC Hardware Coprocessors

Specific features of Wireless Sensor Networks (WSNs) like the open accessibility to nodes, or the easy observability of radio communications, lead to severe security challenges. The application of traditional security schemes on sensor nodes is limited due to the restricted computation capability, low-power availability, and the inherent low data rate. In order to avoid dependencies on a compromised level of security, a WSN node with a microcontroller and a Field Programmable Gate Array (FPGA) is used along this work to implement a state-of-the art solution based on ECC (Elliptic Curve Cryptography). In this paper it is described how the reconfiguration possibilities of the system can be used to adapt ECC parameters in order to increase or reduce the security level depending on the application scenario or the energy budget. Two setups have been created to compare the software- and hardware-supported approaches. According to the results, the FPGA-based ECC implementation requires three orders of magnitude less energy, compared with a low power microcontroller implementation, even considering the power consumption overhead introduced by the hardware reconfiguratio

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

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

Hardware Design and Implementation of Role-Based Cryptography

Traditional public key cryptographic methods provide access control to sensitive data by allowing the message sender to grant a single recipient permission to read the encrypted message. The Need2Know® system (N2K) improves upon these methods by providing role-based access control. N2K defines data access permissions similar to those of a multi-user file system, but N2K strictly enforces access through cryptographic standards. Since custom hardware can efficiently implement many cryptographic algorithms and can provide additional security, N2K stands to benefit greatly from a hardware implementation. To this end, the main N2K algorithm, the Key Protection Module (KPM), is being specified in VHDL. The design is being built and tested incrementally: this first phase implements the core control logic of the KPM without integrating its cryptographic sub-modules. Both RTL simulation and formal verification are used to test the design. This is the first N2K implementation in hardware, and it promises to provide an accelerated and secured alternative to the software-based system. A hardware implementation is a necessary step toward highly secure and flexible deployments of the N2K system

Static and Dynamic Component Obfuscation on Reconfigurable Devices

Computing systems are used in virtually every aspect of our lives. Technology such as smart phones and electronically controlled subsystems in cars is becoming so commonly used that it is virtually ubiquitous. Sometimes, this technology can be exploited to perform functions that it was never intended to perform, or fail to provide information that it is supposed to protect. X-HIA was shown to be effective at identifying several circuit components in a significantly shorter time than previous identification methods. Instead of requiring a number of input/output pairings that grows factorially or exponentially as the circuit size grows, it requires only a number that grows polynomially with the size of the circuit. This allows for the identification of significantly larger circuits. Static protection techniques that are applied to the circuits do not increase the amount of time required to identify the circuit to the point that it is not feasible to perform that identification. DPR is implemented, and it is shown both that the overhead is not prohibitive and that it is effective at causing an identification algorithm to fail