112 research outputs found

    Cyber-security for embedded systems: methodologies, techniques and tools

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    L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

    Model-driven Security Engineering for FPGAs

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    Tato práce obsahuje analýzu a adaptaci vhodných metod zabezpečení, pocházejících ze softwarové domény, do světa FPGA. Metoda formalizace bezpečnostní výzvy FPGA je prezentována jazykem FPGASECML, specifickým pro danou doménu, vhodným pro modelování hrozeb zaměřených na systém a pro formální definování bezpečnostní politiky. Vytvoření vhodných obranných mechanismů vyžaduje inteligenci o agentech ohrožení, zejména o jejich motivaci a schopnostech. Konstrukce založené na FPGA jsou, stejně jako jakýkoli jiný IT systém, vystaveny různým agentům hrozeb po celou dobu jejich životnosti, což naléhavě vyžaduje potřebu vhodné a přizpůsobitelné bezpečnostní strategie. Systematická analýza návrhu založená na konceptu STRIDE poskytuje cenné informace o hrozbách a požadovaných mechanismech protiopatření. Minimalizace povrchu útoku je jedním z nezbytných kroků k vytvoření odolného designu. Konvenční paradigmata řízení přístupu mohou modelovat pravidla řízení přístupu v návrzích FPGA. Výběr vhodného závisí na složitosti a bezpečnostních požadavcích návrhu. Formální popis architektury FPGA a bezpečnostní politiky podporuje přesnou definici aktiv a jejich možných, povolených a zakázaných interakcí. Odstraňuje nejednoznačnost z modelu hrozby a zároveň poskytuje plán implementace. Kontrola modelu může být použita k ověření, zda a do jaké míry, je návrh v souladu s uvedenou bezpečnostní politikou. Přenesení architektury do vhodného modelu a bezpečnostní politiky do ověřitelných logických vlastností může být, jak je uvedeno v této práci, automatizované, zjednodušující proces a zmírňující jeden zdroj chyb. Posílení učení může identifikovat potenciální slabiny a kroky, které může útočník podniknout, aby je využil. Některé metody zde uvedené mohou být použitelné také v jiných doménách.ObhájenoThe thesis provides an analysis and adaptation of appropriate security methods from the software domain into the FPGA world and combines them with formal verification methods and machine learning techniques. The deployment of appropriate defense mechanisms requires intelligence about the threat agents, especially their motivation and capabilities. FPGA based designs are, like any other IT system, exposed to different threat agents throughout the systems lifetime, urging the need for a suitable and adaptable security strategy. The systematic analysis of the design, based on the STRIDE concept, provides valuable insight into the threats and the mandated counter mechanisms. Minimizing the attack surface is one essential step to create a resilient design. Conventional access control paradigms can model access control rules in FPGA designs and thereby restrict the exposure of sensitive elements to untrustworthy ones. A method to formalize the FPGA security challenge is presented. FPGASECML is a domain-specific language, suitable for dataflow-centric threat modeling as well as the formal definition of an enforceable security policy. The formal description of the FPGA architecture and the security policy promotes a precise definition of the assets and their possible, allowed, and prohibited interactions. Formalization removes ambiguity from the threat model while providing a blueprint for the implementation. Model transformations allow the application of dedicated and proven tools to answer specific questions while minimizing the workload for the user. Model-checking can be applied to verify if, and to a certain degree when, a design complies with the stated security policy. Transferring the architecture into a suitable model and the security policy into verifiable logic properties can be, as demonstrated in the thesis, automated, simplifying the process and mitigating one source of error. Reinforcement learning, a machine learning method, can identify potential weaknesses and the steps an attacker may take to exploit them. The approach presented uses a Markov Decision Process in combination with a Qlearning algorithm

    Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

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    239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

    Towards Modular and Flexible Access Control on Smart Mobile Devices

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    Smart mobile devices, such as smartphones and tablets, have become an integral part of our daily personal and professional lives. These devices are connected to a wide variety of Internet services and host a vast amount of applications, which access, store and process security- and privacy-sensitive data. A rich set of sensors, ranging from microphones and cameras to location and acceleration sensors, allows these applications and their back end services to reason about user behavior. Further, enterprise administrators integrate smart mobile devices into their IT infrastructures to enable comfortable work on the go. Unsurprisingly, this abundance of available high-quality information has made smart mobile devices an interesting target for attackers, and the number of malicious and privacy-intrusive applications has steadily been rising. Detection and mitigation of such malicious behavior are in focus of mobile security research today. In particular, the Android operating system has received special attention by both academia and industry due to its popularity and open-source character. Related work has scrutinized its security architecture, analyzed attack vectors and vulnerabilities and proposed a wide variety of security extensions. While these extensions have diverse goals, many of them constitute modifications of the Android operating system and extend its default permission-based access control model. However, they are not generic and only address specific security and privacy concerns. The goal of this dissertation is to provide generic and extensible system-centric access control architectures, which can serve as a solid foundation for the instantiation of use-case specific security extensions. In doing so, we enable security researchers, enterprise administrators and end users to design, deploy and distribute security extensions without further modification of the underlying operating system. To achieve this goal, we first analyze the mobile device ecosystem and discuss how Android's security architecture aims to address its inherent threats. We proceed to survey related work on Android security, focusing on system-centric security extensions, and derive a set of generic requirements for extensible access control architectures targeting smart mobile devices. We then present two extensible access control architectures, which address these requirements by providing policy-based and programmable interfaces for the instantiation of use-case specific security solutions. By implementing a set of practical use-cases, ranging from context-aware access control, dynamic application behavior analysis to isolation of security domains we demonstrate the advantages of system-centric access control architectures over application-layer approaches. Finally, we conclude this dissertation by discussing an alternative approach, which is based on application-layer deputies and can be deployed whenever practical limitations prohibit the deployment of system-centric solutions

    Hardware Trojan Detection in Third-Party Digital Intellectual Property Cores by Multilevel Feature Analysis

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    Smart Sustainable Manufacturing Systems

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    With the advent of disruptive digital technologies, companies are facing unprecedented challenges and opportunities. Advanced manufacturing systems are of paramount importance in making key enabling technologies and new products more competitive, affordable, and accessible, as well as for fostering their economic and social impact. The manufacturing industry also serves as an innovator for sustainability since automation coupled with advanced manufacturing technologies have helped manufacturing practices transition into the circular economy. To that end, this Special Issue of the journal Applied Sciences, devoted to the broad field of Smart Sustainable Manufacturing Systems, explores recent research into the concepts, methods, tools, and applications for smart sustainable manufacturing, in order to advance and promote the development of modern and intelligent manufacturing systems. In light of the above, this Special Issue is a collection of the latest research on relevant topics and addresses the current challenging issues associated with the introduction of smart sustainable manufacturing systems. Various topics have been addressed in this Special Issue, which focuses on the design of sustainable production systems and factories; industrial big data analytics and cyberphysical systems; intelligent maintenance approaches and technologies for increased operating life of production systems; zero-defect manufacturing strategies, tools and methods towards online production management; and connected smart factories
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