Experimental evaluation of two software countermeasures against fault attacks

Injection of transient faults can be used as a way to attack embedded systems. On embedded processors such as microcontrollers, several studies showed that such a transient fault injection with glitches or electromagnetic pulses could corrupt either the data loads from the memory or the assembly instructions executed by the circuit. Some countermeasure schemes which rely on temporal redundancy have been proposed to handle this issue. Among them, several schemes add this redundancy at assembly instruction level. In this paper, we perform a practical evaluation for two of those countermeasure schemes by using a pulsed electromagnetic fault injection process on a 32-bit microcontroller. We provide some necessary conditions for an efficient implementation of those countermeasure schemes in practice. We also evaluate their efficiency and highlight their limitations. To the best of our knowledge, no experimental evaluation of the security of such instruction-level countermeasure schemes has been published yet.Comment: 6 pages, 2014 IEEE International Symposium on Hardware-Oriented Security and Trust (HOST), Arlington : United States (2014

Design and validation of a platform for electromagnetic fault injection

Security is acknowledged as one of the main challenges in the design and deployment of embedded circuits. Devices need to operate on-the-field safely and correctly, even when at physical reach of potential adversaries. One of the most powerful techniques to compromise the correct functioning of a device are fault injection attacks. They enable an active adversary to trigger errors on a circuit in order to bypass security features or to gain knowledge of security-sensitive information. There are several methods to induce such errors. In this work we focus on the injection of faults through the electromagnetic (EM) channel. In particular, we document our efforts towards building a suitable platform for EM pulse injection. We design a pulse injection circuit that can provide currents over 20 A to an EM injector in order to generate abrupt variations of the EM field on the vicinity of a circuit. We validate the suitability of our platform by applying a well-know attack on an embedded 8-bit microcontroller implementing the AES block cipher. In particular, we show how to extract the AES secret cryptographic keys stored in the device by careful injection of faults during the encryption operations and simple analysis of the erroneous outputs.Peer ReviewedPostprint (published version

Formal verification of a software countermeasure against instruction skip attacks

Fault attacks against embedded circuits enabled to define many new attack paths against secure circuits. Every attack path relies on a specific fault model which defines the type of faults that the attacker can perform. On embedded processors, a fault model consisting in an assembly instruction skip can be very useful for an attacker and has been obtained by using several fault injection means. To avoid this threat, some countermeasure schemes which rely on temporal redundancy have been proposed. Nevertheless, double fault injection in a long enough time interval is practical and can bypass those countermeasure schemes. Some fine-grained countermeasure schemes have also been proposed for specific instructions. However, to the best of our knowledge, no approach that enables to secure a generic assembly program in order to make it fault-tolerant to instruction skip attacks has been formally proven yet. In this paper, we provide a fault-tolerant replacement sequence for almost all the instructions of the Thumb-2 instruction set and provide a formal verification for this fault tolerance. This simple transformation enables to add a reasonably good security level to an embedded program and makes practical fault injection attacks much harder to achieve

ElectroMagnetic Analysis and Fault Injection onto Secure Circuits

International audienceImplementation attacks are a major threat to hardware cryptographic implementations. These attacks exploit the correlation existing between the computed data and variables such as computation time, consumed power, and electromagnetic (EM) emissions. Recently, the EM channel has been proven as an effective passive and active attack technique against secure implementations. In this paper, we review the recent results obtained on this subject, with a particular focus on EM as a fault injection tool

Physical Fault Injection and Side-Channel Attacks on Mobile Devices:A Comprehensive Analysis

Today's mobile devices contain densely packaged system-on-chips (SoCs) with multi-core, high-frequency CPUs and complex pipelines. In parallel, sophisticated SoC-assisted security mechanisms have become commonplace for protecting device data, such as trusted execution environments, full-disk and file-based encryption. Both advancements have dramatically complicated the use of conventional physical attacks, requiring the development of specialised attacks. In this survey, we consolidate recent developments in physical fault injections and side-channel attacks on modern mobile devices. In total, we comprehensively survey over 50 fault injection and side-channel attack papers published between 2009-2021. We evaluate the prevailing methods, compare existing attacks using a common set of criteria, identify several challenges and shortcomings, and suggest future directions of research

Electromagnetic glitch on the AES round counter

International audienceThis article presents a Round Addition Analysis on a software implementation of the Advanced Encryption Standard (AES) algorithm. The round keys are computed on-the-fly during each encryption. A non-invasive transient fault injection is achieved on the AES round counter. The attack is performed by injecting a very short electromagnetic glitch on a 32-bit microcontroller based on the arm Cortex-M3 processor. Using this experimental setup, we are able to disrupt the round counter increment at the end of the penultimate round and execute one additional round. This faulty execution enables us to recover the encryption key with only two pairs of corresponding correct and faulty ciphertexts

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