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

Systematic Literature Review of EM-SCA Attacks on Encryption

Cryptography is vital for data security, but cryptographic algorithms can still be vulnerable to side-channel attacks (SCAs), physical assaults exploiting power consumption and EM radiation. SCAs pose a significant threat to cryptographic integrity, compromising device keys. While literature on SCAs focuses on real-world devices, the rise of sophisticated devices necessitates fresh approaches. Electromagnetic side-channel analysis (EM-SCA) gathers information by monitoring EM radiation, capable of retrieving encryption keys and detecting malicious activity. This study evaluates EM-SCA's impact on encryption across scenarios and explores its role in digital forensics and law enforcement. Addressing encryption susceptibility to EM-SCA can empower forensic investigators in overcoming encryption challenges, maintaining their crucial role in law enforcement. Additionally, the paper defines EM-SCA's current state in attacking encryption, highlighting vulnerable and resistant encryption algorithms and devices, and promising EM-SCA approaches. This study offers a comprehensive analysis of EM-SCA in law enforcement and digital forensics, suggesting avenues for further research

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

Adjusting Laser Injections for Fully Controlled Faults

Hardware characterizations of integrated circuits have been evolving rapidly with the advent of more precise, sophisticated and cost-efficient tools. In this paper we describe how the fine tuning of a laser source has been used to characterize, set and reset the state of registers in a 90 nm chip. By adjusting the incident laser beam’s location, it is possible to choose to switch any register value from ‘ 0 ’ to ‘ 1 ’ or vice-versa by targeting the PMOS side or the NMOS side. Plus, we show how to clear a register by selecting a laser beam’s power. With the help of imaging techniques, we are able to explain the underlying phenomenon and provide a direct link between the laser mapping and the physical gate structure. Thus, we correlate the localization of laser fault injections with implementations of the PMOS and NMOS areas in the silicon substrate. This illustrates to what extent laser beams can be used to monitor the bits stored within registers, with adverse consequences in terms of security evaluation of integrated circuits

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

Contactless Electromagnetic Active Attack on Ring Oscillator Based True Random Number Generator

International audienceTrue random number generators (TRNGs) are ubiquitous in data security as one of basic cryptographic primitives. They are primarily used as generators of con fidential keys, to initialize vectors, to pad values, but also as random masks generators in some side channel attacks countermeasures. As such, they must have good statistical properties, be unpredictable and robust against attacks. This paper presents a contactless and local active attack on ring oscillators (ROs) based TRNGs using electromagnetic fields. Experiments show that in a TRNG featuring fifty ROs, the impact of a local electromagnetic emanation on the ROs is so strong, that it is possible to lock them on the injected signal and thus to control the monobit bias of the TRNG output even when low power electromagnetic fields are exploited. These results confi rm practically that the electromagnetic waves used for harmonic signal injection may represent a serious security threat for secure circuits that embed RO-based TRNG