Towards Runtime Customizable Trusted Execution Environment on FPGA-SoC

Processing sensitive data and deploying well-designed Intellectual Property (IP) cores on remote Field Programmable Gate Array (FPGA) are prone to private data leakage and IP theft. One effective solution is constructing Trusted Execution Environment (TEE) on FPGA-SoCs (FPGA System on Chips). Researchers have integrated this type TEE with Trusted Platform Module (TPM)-based trusted boot, denoted as FPGA-SoC tbTEE. But there is no effort on secure and trusted runtime customization of FPGA-SoC TEE. This paper extends FPGA-SoC tbTEE to build Runtime Customizable TEE (RCTEE) on FPGA-SoC by additive three major components (our work): 1) CrloadIP, which can load an IP core at runtime such that RCTEE can be adjusted dynamically and securely; 2) CexecIP, which can not only execute an IP core without modifying the operating system of FPGA-SoC TEE, but also prevent insider attacks from executing IPs deployed in RCTEE; 3) CremoAT, which can provide the newly measured RCTEE state and establish a secure and trusted communication path between remote verifiers and RCTEE. We conduct a security analysis of RCTEE and its performance evaluation on Xilinx Zynq UltraScale+ XCZU15EG 2FFVB1156 MPSoC

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

CPU to FPGA Power Covert Channel in FPGA-SoCs

FPGA-SoCs are a popular platform for accelerating a wide range of applications due to their performance and flexibility. From a security point of view, these systems have been shown to be vulnerable to various attacks, especially side-channel attacks where an attacker can obtain the secret key of a cryptographic algorithm via laboratory mea- surement equipment or even remotely with sensors implemented inside the FPGA logic itself. Fortunately, a variety of countermeasures on the algorithmic level have been proposed to mitigate this threat. Beyond side- channel attacks, covert channels constitute another threat which enables communication through a hidden channel. In this work, we demonstrate the possibility of implementing a covert channel between the CPU and an FPGA by modulating the usage of the Power Distribution Network. We show that this resource is especially vulnerable since it can be easily controlled and observed, resulting in a stealthy communication and a high transmission data rate. The power usage is modulated using simple and inconspicuous instructions executed on the CPU. Additionally, we use Time-to-Digital Converter sensors to observe these power variations. The sensor circuits are programmed into the FPGA fabric using only standard logic components. Our covert channel achieves a transmission rate of up to 16.7 kbit/s combined with an error rate of 2.3%. Besides a good transmission quality, our covert channel is also stealthy and can be used as an activation function for a hardware trojan

ACAI: Protecting Accelerator Execution with Arm Confidential Computing Architecture

Trusted execution environments in several existing and upcoming CPUs demonstrate the success of confidential computing, with the caveat that tenants cannot securely use accelerators such as GPUs and FPGAs. In this paper, we reconsider the Arm Confidential Computing Architecture (CCA) design, an upcoming TEE feature in Armv9-A, to address this gap. We observe that CCA offers the right abstraction and mechanisms to allow confidential VMs to use accelerators as a first-class abstraction. We build ACAI, a CCA-based solution, with a principled approach of extending CCA security invariants to device-side access to address several critical security gaps. Our experimental results on GPU and FPGA demonstrate the feasibility of ACAI while maintaining security guarantees.Comment: Extended version of the Usenix Security 2024 pape

Implementación de una plataforma para tests de inyección de fallos mediante electromagnetismo contra SoCs basados en RISC-V

Trabajo de Fin de Grado en Ingeniería Informática, Facultad de Informática UCM, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, Curso 2021/2022.The market of microcontrollers, CPUs, desktop and server computers has seen both numerous milestones achieved and new challenges arise in the last decade. With the RISCV ISA being introduced in 2010, a new set of possibilities and freedoms was unlocked. However, the overall necessity for security and resilient computers has increased, not only for consumer grade devices, but also for every other field. Hardware is oftentimes one of the most forgotten attack surfaces, due to several reasons like lack of ease-of-access, or the cost of research. In this document, we ask the question: “how well does the RISC-V architecture stand against physical harms?”. We also develop a novel device capable of doing Electromagnetic Fault Injection attacks while being a very affordable solution to build.El mercado de los microcontroladores, CPUs, ordenadores de escritorio y servidores ha alcanzado nuevas cotas y superado numerosos retos técnicos durante la última década. Con la aparición del conjunto de instrucciones RISC-V en 2010, llegó un nuevo mundo de posibilidades y libertades. Sin embargo, la necesidad creciente de ordenadores seguros y confiables también ha aumentado, tanto de cara al consumidor, como en otras partes de la industria. En numerosas ocasiones, los componentes hardware son los grandes olvidados a la hora de evaluar la seguridad de un sistema, debido a razones tales como la dificultad de acceder o manipular estos componentes, o el coste prohibitivo que conlleva modificar e investigar dichas partes. En este trabajo, se plantea la pregunta: «¿Cómo de bien resiste la arquitectura RISC-V frente a peligros físicos?». Para evaluar posibles respuestas, se desarrolla un dispositivo nóvel capaz de llevar a cabo ataques de inyección de fallos mediante electromagnetismo, con énfasis en obtener un dispositivo cuya fabricación sea asequible.Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu

LO-FAT: Low-Overhead Control Flow ATtestation in Hardware

Attacks targeting software on embedded systems are becoming increasingly prevalent. Remote attestation is a mechanism that allows establishing trust in embedded devices. However, existing attestation schemes are either static and cannot detect control-flow attacks, or require instrumentation of software incurring high performance overheads. To overcome these limitations, we present LO-FAT, the first practical hardware-based approach to control-flow attestation. By leveraging existing processor hardware features and commonly-used IP blocks, our approach enables efficient control-flow attestation without requiring software instrumentation. We show that our proof-of-concept implementation based on a RISC-V SoC incurs no processor stalls and requires reasonable area overhead.Comment: Authors' pre-print version to appear in DAC 2017 proceeding