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    Software Grand Exposure: SGX Cache Attacks Are Practical

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    Side-channel information leakage is a known limitation of SGX. Researchers have demonstrated that secret-dependent information can be extracted from enclave execution through page-fault access patterns. Consequently, various recent research efforts are actively seeking countermeasures to SGX side-channel attacks. It is widely assumed that SGX may be vulnerable to other side channels, such as cache access pattern monitoring, as well. However, prior to our work, the practicality and the extent of such information leakage was not studied. In this paper we demonstrate that cache-based attacks are indeed a serious threat to the confidentiality of SGX-protected programs. Our goal was to design an attack that is hard to mitigate using known defenses, and therefore we mount our attack without interrupting enclave execution. This approach has major technical challenges, since the existing cache monitoring techniques experience significant noise if the victim process is not interrupted. We designed and implemented novel attack techniques to reduce this noise by leveraging the capabilities of the privileged adversary. Our attacks are able to recover confidential information from SGX enclaves, which we illustrate in two example cases: extraction of an entire RSA-2048 key during RSA decryption, and detection of specific human genome sequences during genomic indexing. We show that our attacks are more effective than previous cache attacks and harder to mitigate than previous SGX side-channel attacks

    HardScope: Thwarting DOP with Hardware-assisted Run-time Scope Enforcement

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    Widespread use of memory unsafe programming languages (e.g., C and C++) leaves many systems vulnerable to memory corruption attacks. A variety of defenses have been proposed to mitigate attacks that exploit memory errors to hijack the control flow of the code at run-time, e.g., (fine-grained) randomization or Control Flow Integrity. However, recent work on data-oriented programming (DOP) demonstrated highly expressive (Turing-complete) attacks, even in the presence of these state-of-the-art defenses. Although multiple real-world DOP attacks have been demonstrated, no efficient defenses are yet available. We propose run-time scope enforcement (RSE), a novel approach designed to efficiently mitigate all currently known DOP attacks by enforcing compile-time memory safety constraints (e.g., variable visibility rules) at run-time. We present HardScope, a proof-of-concept implementation of hardware-assisted RSE for the new RISC-V open instruction set architecture. We discuss our systematic empirical evaluation of HardScope which demonstrates that it can mitigate all currently known DOP attacks, and has a real-world performance overhead of 3.2% in embedded benchmarks

    Quantifiable Assurance: From IPs to Platforms

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    Hardware vulnerabilities are generally considered more difficult to fix than software ones because they are persistent after fabrication. Thus, it is crucial to assess the security and fix the vulnerabilities at earlier design phases, such as Register Transfer Level (RTL) and gate level. The focus of the existing security assessment techniques is mainly twofold. First, they check the security of Intellectual Property (IP) blocks separately. Second, they aim to assess the security against individual threats considering the threats are orthogonal. We argue that IP-level security assessment is not sufficient. Eventually, the IPs are placed in a platform, such as a system-on-chip (SoC), where each IP is surrounded by other IPs connected through glue logic and shared/private buses. Hence, we must develop a methodology to assess the platform-level security by considering both the IP-level security and the impact of the additional parameters introduced during platform integration. Another important factor to consider is that the threats are not always orthogonal. Improving security against one threat may affect the security against other threats. Hence, to build a secure platform, we must first answer the following questions: What additional parameters are introduced during the platform integration? How do we define and characterize the impact of these parameters on security? How do the mitigation techniques of one threat impact others? This paper aims to answer these important questions and proposes techniques for quantifiable assurance by quantitatively estimating and measuring the security of a platform at the pre-silicon stages. We also touch upon the term security optimization and present the challenges for future research directions

    Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

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    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
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