Chiffrement authentifié sur FPGAs de la partie reconfigurable à la partie static

Communication systems need to access, store, manipulate, or communicate sensitive information. Therefore, cryptographic primitives such as hash functions and block ciphers are deployed to provide encryption and authentication. Recently, techniques have been invented to combine encryption and authentication into a single algorithm which is called Authenticated Encryption (AE). Combining these two security services in hardware produces better performance compared to two separated algorithms since authentication and encryption can share a part of the computation. Because of combining the programmability with the performance ofcustom hardware, FPGAs become more common as an implementation target for such algorithms. The first part of this thesis is devoted to efficient and high-speed FPGA-based architectures of AE algorithms, AES-GCM and AEGIS-128, in order to be used in the reconfigurable part of FPGAs to support security services of communication systems. Our focus on the state of the art leads to the introduction of high-speed architectures for slow changing keys applications like Virtual Private Networks (VPNs). Furthermore, we present an efficient method for implementing the GF(2¹²⁸) multiplier, which is responsible for the authentication task in AES-GCM, to support high-speed applications. Additionally, an efficient AEGIS-128is also implemented using only five AES rounds. Our hardware implementations were evaluated using Virtex-5 and Virtex-4 FPGAs. The performance of the presented architectures (Thr./Slices) outperforms the previously reported ones.The second part of the thesis presents techniques for low cost solutions in order to secure the reconfiguration of FPGAs. We present different ranges of low cost implementations of AES-GCM, AES-CCM, and AEGIS-128, which are used in the static part of the FPGA in order to decrypt and authenticate the FPGA bitstream. Presented ASIC architectures were evaluated using 90 and 65 nm technologies and they present better performance compared to the previous work.Les systèmes de communication ont besoin d'accéder, stocker, manipuler, ou de communiquer des informations sensibles. Par conséquent, les primitives cryptographiques tels que les fonctions de hachage et le chiffrement par blocs sont déployés pour fournir le cryptage et l'authentification. Récemment, des techniques ont été inventés pour combiner cryptage et d'authentification en un seul algorithme qui est appelé authentifiés Encryption (AE). La combinaison de ces deux services de sécurité dans le matériel de meilleures performances par rapport aux deux algorithmes séparés puisque l'authentification et le cryptage peuvent partager une partie du calcul. En raison de la combinaison de la programmation de l'exécution de matériel personnalisé, FPGA deviennent plus communs comme cible d'une mise en œuvre de ces algorithmes. La première partie de cette thèse est consacrée aux architectures d'algorithmes AE, AES-GCM et AEGIS-128 à base de FPGA efficaces et à grande vitesse, afin d'être utilisé dans la partie reconfigurable FPGA pour soutenir les services de sécurité des systèmes de communication. Notre focalisation sur l'état de l'art conduit à la mise en place d'architectures à haute vitesse pour les applications lentes touches changeantes comme les réseaux privés virtuels (VPN). En outre, nous présentons un procédé efficace pour mettre en œuvre le GF(2¹²⁸) multiplicateur, qui est responsable de la tâche d'authentification en AES-GCM, pour supporter les applications à grande vitesse. En outre, un système efficace AEGIS-128 est également mis en œuvre en utilisant seulement cinq tours AES. Nos réalisations matérielles ont été évaluées à l'aide Virtex-5 et Virtex-4 FPGA. La performance des architectures présentées (Thr. / Parts) surpasse ceux signalés précédemment. La deuxième partie de la thèse présente des techniques pour des solutions à faible coût afin de garantir la reconfiguration du FPGA. Nous présentons différentes gammes de mises en œuvre à faible coût de AES-GCM, AES-CCM, et AEGIS-128, qui sont utilisés dans la partie statique du FPGA afin de décrypter et authentifier le bitstream FPGA. Architectures ASIC présentées ont été évaluées à l'aide de 90 et 65 technologies nm et présentent de meilleures performances par rapport aux travaux antérieurs

Secure extension of FPGA general purpose processors for symmetric key cryptography with partial reconfiguration capabilities

International audienceIn data security systems, general purpose processors (GPPs) are often extended by a cryptographic accelerator. The paper presents three ways of extending GPPs for symmetric key cryptography applications. Proposed extensions guarantee secure key storage and management even if the system is facing protocol, software and cache memory attacks. The system is partitioned into processor, cipher, and key memory zones. The three security zones are separated at protocol, system, architecture and physical levels. The proposed principle was validated on Altera NIOS II, Xilinx MicroBlaze and Microsemi Cortex M1 soft core processor extensions. We show that stringent separation of the cipher zone is helpful for partial reconfiguration of the security module, if the enciphering algorithm needs to be dynamically changed. However, the key zone including reconfiguration controller must remain static in order to maintain the high level of security required. We demonstrate that the principle is feasible in partially reconfigurable field programmable gate arrays (FPGAs) such as Altera Stratix V or Xilinx Virtex 6 and also to some extent in FPGAs featuring hardwired general purpose processors such as Cortex M3 in Microsemi SmartFusion FPGA. Although the three GPPs feature different data interfaces, we show that the processors with their extensions reach the required high security level while maintaining partial reconfiguration capability

Virtualized Reconfigurable Resources and Their Secured Provision in an Untrusted Cloud Environment

The cloud computing business grows year after year. To keep up with increasing demand and to offer more services, data center providers are always searching for novel architectures. One of them are FPGAs, reconfigurable hardware with high compute power and energy efficiency. But some clients cannot make use of the remote processing capabilities. Not every involved party is trustworthy and the complex management software has potential security flaws. Hence, clients’ sensitive data or algorithms cannot be sufficiently protected. In this thesis state-of-the-art hardware, cloud and security concepts are analyzed and com- bined. On one side are reconfigurable virtual FPGAs. They are a flexible resource and fulfill the cloud characteristics at the price of security. But on the other side is a strong requirement for said security. To provide it, an immutable controller is embedded enabling a direct, confidential and secure transfer of clients’ configurations. This establishes a trustworthy compute space inside an untrusted cloud environment. Clients can securely transfer their sensitive data and algorithms without involving vulnerable software or a data center provider. This concept is implemented as a prototype. Based on it, necessary changes to current FPGAs are analyzed. To fully enable reconfigurable yet secure hardware in the cloud, a new hybrid architecture is required.Das Geschäft mit dem Cloud Computing wächst Jahr für Jahr. Um mit der steigenden Nachfrage mitzuhalten und neue Angebote zu bieten, sind Betreiber von Rechenzentren immer auf der Suche nach neuen Architekturen. Eine davon sind FPGAs, rekonfigurierbare Hardware mit hoher Rechenleistung und Energieeffizienz. Aber manche Kunden können die ausgelagerten Rechenkapazitäten nicht nutzen. Nicht alle Beteiligten sind vertrauenswürdig und die komplexe Verwaltungssoftware ist anfällig für Sicherheitslücken. Daher können die sensiblen Daten dieser Kunden nicht ausreichend geschützt werden. In dieser Arbeit werden modernste Hardware, Cloud und Sicherheitskonzept analysiert und kombiniert. Auf der einen Seite sind virtuelle FPGAs. Sie sind eine flexible Ressource und haben Cloud Charakteristiken zum Preis der Sicherheit. Aber auf der anderen Seite steht ein hohes Sicherheitsbedürfnis. Um dieses zu bieten ist ein unveränderlicher Controller eingebettet und ermöglicht eine direkte, vertrauliche und sichere Übertragung der Konfigurationen der Kunden. Das etabliert eine vertrauenswürdige Rechenumgebung in einer nicht vertrauenswürdigen Cloud Umgebung. Kunden können sicher ihre sensiblen Daten und Algorithmen übertragen ohne verwundbare Software zu nutzen oder den Betreiber des Rechenzentrums einzubeziehen. Dieses Konzept ist als Prototyp implementiert. Darauf basierend werden nötige Änderungen von modernen FPGAs analysiert. Um in vollem Umfang eine rekonfigurierbare aber dennoch sichere Hardware in der Cloud zu ermöglichen, wird eine neue hybride Architektur benötigt

Bitstream Fault Injections (BiFI) – Automated Fault Attacks against SRAM-based FPGAs

This contribution is concerned with the question whether an adversary can automatically manipulate an unknown FPGA bitstream realizing a cryptographic primitive such that the underlying secret key is revealed. In general, if an attacker has full knowledge about the bitstream structure and can make changes to the target FPGA design, she can alter the bitstream leading to key recovery. However, this requires challenging reverse-engineering steps in practice. We argue that this is a major reason why bitstream fault injection attacks have been largely neglected in the past. In this paper, we show that malicious bitstream modifications are i) much easier to conduct than commonly assumed and ii) surprisingly powerful. We introduce a novel class of bitstream fault injection (BiFI) attacks which does not require any reverse-engineering. Our attacks can be automatically mounted without any detailed knowledge about either the bitstream format of the design or the crypto primitive which is being attacked. Bitstream encryption features do not necessarily prevent our attack if the integrity of the encrypted bitstream is not carefully checked. We have successfully verified the feasibility of our attacks in practice by considering several publicly available AES designs. As target platforms, we have conducted our experiments on Spartan-6 and Virtex-5 Xilinx FPGAs

Crypto-processeur architecture, programmation et évaluation de la sécurité

Les architectures des processeurs et coprocesseurs cryptographiques se montrent fréquemment vulnérables aux différents types d attaques ; en particulier, celles qui ciblent une révélation des clés chiffrées. Il est bien connu qu une manipulation des clés confidentielles comme des données standards par un processeur peut être considérée comme une menace. Ceci a lieu par exemple lors d un changement du code logiciel (malintentionné ou involontaire) qui peut provoquer que la clé confidentielle sorte en clair de la zone sécurisée. En conséquence, la sécurité de tout le système serait irréparablement menacée. L objectif que nous nous sommes fixé dans le travail présenté, était la recherche d architectures matérielles reconfigurables qui peuvent fournir une sécurité élevée des clés confidentielles pendant leur génération, leur enregistrement et leur échanges en implantant des modes cryptographiques de clés symétriques et des protocoles. La première partie de ce travail est destinée à introduire les connaissances de base de la cryptographie appliquée ainsi que de l électronique pour assurer une bonne compréhension des chapitres suivants. Deuxièmement, nous présentons un état de l art des menaces sur la confidentialité des clés secrètes dans le cas où ces dernières sont stockées et traitées dans un système embarqué. Pour lutter contre les menaces mentionnées, nous proposons alors de nouvelles règles au niveau du design de l architecture qui peuvent augmenter la résistance des processeurs et coprocesseurs cryptographiques contre les attaques logicielles. Ces règles prévoient une séparation des registres dédiés à l enregistrement de clés et ceux dédiés à l enregistrement de données : nous proposons de diviser le système en zones : de données, du chiffreur et des clés et à isoler ces zones les unes des autres au niveau du protocole, du système, de l architecture et au niveau physique. Ensuite, nous présentons un nouveau crypto-processeur intitulé HCrypt, qui intègre ces règles de séparation et qui assure ainsi une gestion sécurisée des clés. Mises à part les instructions relatives à la gestion sécurisée de clés, quelques instructions supplémentaires sont dédiées à une réalisation simple des modes de chiffrement et des protocoles cryptographiques. Dans les chapitres suivants, nous explicitons le fait que les règles de séparation suggérées, peuvent également être étendues à l architecture d un processeur généraliste et coprocesseur. Nous proposons ainsi un crypto-coprocesseur sécurisé qui est en mesure d être utilisé en relation avec d autres processeurs généralistes. Afin de démontrer sa flexibilité, le crypto-coprocesseur est interconnecté avec les processeurs soft-cores de NIOS II, de MicroBlaze et de Cortex M1. Par la suite, la résistance du crypto-processeur par rapport aux attaques DPA est testée. Sur la base de ces analyses, l architecture du processeur HCrypt est modifiée afin de simplifier sa protection contre les attaques par canaux cachés (SCA) et les attaques par injection de fautes (FIA). Nous expliquons aussi le fait qu une réorganisation des blocs au niveau macroarchitecture du processeur HCrypt, augmente la résistance du nouveau processeur HCrypt2 par rapport aux attaques de type DPA et FIA. Nous étudions ensuite les possibilités pour pouvoir reconfigurer dynamiquement les parties sélectionnées de l architecture du processeur crypto-coprocesseur. La reconfiguration dynamique peut être très utile lorsque l algorithme de chiffrement ou ses implantations doivent être changés en raison de l apparition d une vulnérabilité Finalement, la dernière partie de ces travaux de thèse, est destinée à l exécution des tests de fonctionnalité et des optimisations stricts des deux versions du cryptoprocesseur HCryptArchitectures of cryptographic processors and coprocessors are often vulnerable to different kinds of attacks, especially those targeting the disclosure of encryption keys. It is well known that manipulating confidential keys by the processor as ordinary data can represent a threat: a change in the program code (malicious or unintentional) can cause the unencrypted confidential key to leave the security area. This way, the security of the whole system would be irrecoverably compromised. The aim of our work was to search for flexible and reconfigurable hardware architectures, which can provide high security of confidential keys during their generation, storage and exchange while implementing common symmetric key cryptographic modes and protocols. In the first part of the manuscript, we introduce the bases of applied cryptography and of reconfigurable computing that are necessary for better understanding of the work. Second, we present threats to security of confidential keys when stored and processed within an embedded system. To counteract these threats, novel design rules increasing robustness of cryptographic processors and coprocessors against software attacks are presented. The rules suggest separating registers dedicated to key storage from those dedicated to data storage: we propose to partition the system into the data, cipher and key zone and to isolate the zones from each other at protocol, system, architectural and physical levels. Next, we present a novel HCrypt crypto-processor complying with the separation rules and thus ensuring secure key management. Besides instructions dedicated to secure key management, some additional instructions are dedicated to easy realization of block cipher modes and cryptographic protocols in general. In the next part of the manuscript, we show that the proposed separation principles can be extended also to a processor-coprocessor architecture. We propose a secure crypto-coprocessor, which can be used in conjunction with any general-purpose processor. To demonstrate its flexibility, the crypto-coprocessor is interconnected with the NIOS II, MicroBlaze and Cortex M1 soft-core processors. In the following part of the work, we examine the resistance of the HCrypt cryptoprocessor to differential power analysis (DPA) attacks. Following this analysis, we modify the architecture of the HCrypt processor in order to simplify its protection against side channel attacks (SCA) and fault injection attacks (FIA). We show that by rearranging blocks of the HCrypt processor at macroarchitecture level, the new HCrypt2 processor becomes natively more robust to DPA and FIA. Next, we study possibilities of dynamically reconfiguring selected parts of the processor - crypto-coprocessor architecture. The dynamic reconfiguration feature can be very useful when the cipher algorithm or its implementation must be changed in response to appearance of some vulnerability. Finally, the last part of the manuscript is dedicated to thorough testing and optimizations of both versions of the HCrypt crypto-processor. Architectures of crypto-processors and crypto-coprocessors are often vulnerable to software attacks targeting the disclosure of encryption keys. The thesis introduces separation rules enabling crypto-processor/coprocessors to support secure key management. Separation rules are implemented on novel HCrypt crypto-processor resistant to software attacks targetting the disclosure of encryption keysST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF

Multi-Tenant Cloud FPGA: A Survey on Security

With the exponentially increasing demand for performance and scalability in cloud applications and systems, data center architectures evolved to integrate heterogeneous computing fabrics that leverage CPUs, GPUs, and FPGAs. FPGAs differ from traditional processing platforms such as CPUs and GPUs in that they are reconfigurable at run-time, providing increased and customized performance, flexibility, and acceleration. FPGAs can perform large-scale search optimization, acceleration, and signal processing tasks compared with power, latency, and processing speed. Many public cloud provider giants, including Amazon, Huawei, Microsoft, Alibaba, etc., have already started integrating FPGA-based cloud acceleration services. While FPGAs in cloud applications enable customized acceleration with low power consumption, it also incurs new security challenges that still need to be reviewed. Allowing cloud users to reconfigure the hardware design after deployment could open the backdoors for malicious attackers, potentially putting the cloud platform at risk. Considering security risks, public cloud providers still don't offer multi-tenant FPGA services. This paper analyzes the security concerns of multi-tenant cloud FPGAs, gives a thorough description of the security problems associated with them, and discusses upcoming future challenges in this field of study