FPGA based remote code integrity verification of programs in distributed embedded systems

The explosive growth of networked embedded systems has made ubiquitous and pervasive computing a reality. However, there are still a number of new challenges to its widespread adoption that include scalability, availability, and, especially, security of software. Among the different challenges in software security, the problem of remote-code integrity verification is still waiting for efficient solutions. This paper proposes the use of reconfigurable computing to build a consistent architecture for generation of attestations (proofs) of code integrity for an executing program as well as to deliver them to the designated verification entity. Remote dynamic update of reconfigurable devices is also exploited to increase the complexity of mounting attacks in a real-word environment. The proposed solution perfectly fits embedded devices that are nowadays commonly equipped with reconfigurable hardware components that are exploited to solve different computational problems

Chiffrement authentifié sur FPGAs de la partie reconfigurable à la partie static

Communication systems need to access, store, manipulate, or communicate sensitive information. Therefore, cryptographic primitives such as hash functions and block ciphers are deployed to provide encryption and authentication. Recently, techniques have been invented to combine encryption and authentication into a single algorithm which is called Authenticated Encryption (AE). Combining these two security services in hardware produces better performance compared to two separated algorithms since authentication and encryption can share a part of the computation. Because of combining the programmability with the performance ofcustom hardware, FPGAs become more common as an implementation target for such algorithms. The first part of this thesis is devoted to efficient and high-speed FPGA-based architectures of AE algorithms, AES-GCM and AEGIS-128, in order to be used in the reconfigurable part of FPGAs to support security services of communication systems. Our focus on the state of the art leads to the introduction of high-speed architectures for slow changing keys applications like Virtual Private Networks (VPNs). Furthermore, we present an efficient method for implementing the GF(2¹²⁸) multiplier, which is responsible for the authentication task in AES-GCM, to support high-speed applications. Additionally, an efficient AEGIS-128is also implemented using only five AES rounds. Our hardware implementations were evaluated using Virtex-5 and Virtex-4 FPGAs. The performance of the presented architectures (Thr./Slices) outperforms the previously reported ones.The second part of the thesis presents techniques for low cost solutions in order to secure the reconfiguration of FPGAs. We present different ranges of low cost implementations of AES-GCM, AES-CCM, and AEGIS-128, which are used in the static part of the FPGA in order to decrypt and authenticate the FPGA bitstream. Presented ASIC architectures were evaluated using 90 and 65 nm technologies and they present better performance compared to the previous work.Les systèmes de communication ont besoin d'accéder, stocker, manipuler, ou de communiquer des informations sensibles. Par conséquent, les primitives cryptographiques tels que les fonctions de hachage et le chiffrement par blocs sont déployés pour fournir le cryptage et l'authentification. Récemment, des techniques ont été inventés pour combiner cryptage et d'authentification en un seul algorithme qui est appelé authentifiés Encryption (AE). La combinaison de ces deux services de sécurité dans le matériel de meilleures performances par rapport aux deux algorithmes séparés puisque l'authentification et le cryptage peuvent partager une partie du calcul. En raison de la combinaison de la programmation de l'exécution de matériel personnalisé, FPGA deviennent plus communs comme cible d'une mise en œuvre de ces algorithmes. La première partie de cette thèse est consacrée aux architectures d'algorithmes AE, AES-GCM et AEGIS-128 à base de FPGA efficaces et à grande vitesse, afin d'être utilisé dans la partie reconfigurable FPGA pour soutenir les services de sécurité des systèmes de communication. Notre focalisation sur l'état de l'art conduit à la mise en place d'architectures à haute vitesse pour les applications lentes touches changeantes comme les réseaux privés virtuels (VPN). En outre, nous présentons un procédé efficace pour mettre en œuvre le GF(2¹²⁸) multiplicateur, qui est responsable de la tâche d'authentification en AES-GCM, pour supporter les applications à grande vitesse. En outre, un système efficace AEGIS-128 est également mis en œuvre en utilisant seulement cinq tours AES. Nos réalisations matérielles ont été évaluées à l'aide Virtex-5 et Virtex-4 FPGA. La performance des architectures présentées (Thr. / Parts) surpasse ceux signalés précédemment. La deuxième partie de la thèse présente des techniques pour des solutions à faible coût afin de garantir la reconfiguration du FPGA. Nous présentons différentes gammes de mises en œuvre à faible coût de AES-GCM, AES-CCM, et AEGIS-128, qui sont utilisés dans la partie statique du FPGA afin de décrypter et authentifier le bitstream FPGA. Architectures ASIC présentées ont été évaluées à l'aide de 90 et 65 technologies nm et présentent de meilleures performances par rapport aux travaux antérieurs

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

Secure Update of FPGA-based Secure Elements using Partial Reconfiguration

Secure Elements (SEs) are hardware trust anchors which provide cryptographic services including secure storage of secret keys and certificates. In long-living devices certain cryptographic functions might get insecure over time, e.g. new implementation attacks or bugs are discovered, and might require to be updated. On FPGAs, partial reconfiguration (PR) offers the opportunity to overcome this issue by replacing buggy or outdated hardware on the fly. This work provides an architecture for an FPGA-based secure element that can be securely updated. The proposed mechanism uses a side-channel protected authenticated encryption with associated data (AEAD) engine for decryption and authentication of partial bitstreams, while the device unique key is generated from a Physical Unclonable Function (PUF). A proof-of-concept of the design is implemented on a Xilinx Zynq-7020 FPGA

Crypto-processeur architecture, programmation et évaluation de la sécurité

Les architectures des processeurs et coprocesseurs cryptographiques se montrent fréquemment vulnérables aux différents types d attaques ; en particulier, celles qui ciblent une révélation des clés chiffrées. Il est bien connu qu une manipulation des clés confidentielles comme des données standards par un processeur peut être considérée comme une menace. Ceci a lieu par exemple lors d un changement du code logiciel (malintentionné ou involontaire) qui peut provoquer que la clé confidentielle sorte en clair de la zone sécurisée. En conséquence, la sécurité de tout le système serait irréparablement menacée. L objectif que nous nous sommes fixé dans le travail présenté, était la recherche d architectures matérielles reconfigurables qui peuvent fournir une sécurité élevée des clés confidentielles pendant leur génération, leur enregistrement et leur échanges en implantant des modes cryptographiques de clés symétriques et des protocoles. La première partie de ce travail est destinée à introduire les connaissances de base de la cryptographie appliquée ainsi que de l électronique pour assurer une bonne compréhension des chapitres suivants. Deuxièmement, nous présentons un état de l art des menaces sur la confidentialité des clés secrètes dans le cas où ces dernières sont stockées et traitées dans un système embarqué. Pour lutter contre les menaces mentionnées, nous proposons alors de nouvelles règles au niveau du design de l architecture qui peuvent augmenter la résistance des processeurs et coprocesseurs cryptographiques contre les attaques logicielles. Ces règles prévoient une séparation des registres dédiés à l enregistrement de clés et ceux dédiés à l enregistrement de données : nous proposons de diviser le système en zones : de données, du chiffreur et des clés et à isoler ces zones les unes des autres au niveau du protocole, du système, de l architecture et au niveau physique. Ensuite, nous présentons un nouveau crypto-processeur intitulé HCrypt, qui intègre ces règles de séparation et qui assure ainsi une gestion sécurisée des clés. Mises à part les instructions relatives à la gestion sécurisée de clés, quelques instructions supplémentaires sont dédiées à une réalisation simple des modes de chiffrement et des protocoles cryptographiques. Dans les chapitres suivants, nous explicitons le fait que les règles de séparation suggérées, peuvent également être étendues à l architecture d un processeur généraliste et coprocesseur. Nous proposons ainsi un crypto-coprocesseur sécurisé qui est en mesure d être utilisé en relation avec d autres processeurs généralistes. Afin de démontrer sa flexibilité, le crypto-coprocesseur est interconnecté avec les processeurs soft-cores de NIOS II, de MicroBlaze et de Cortex M1. Par la suite, la résistance du crypto-processeur par rapport aux attaques DPA est testée. Sur la base de ces analyses, l architecture du processeur HCrypt est modifiée afin de simplifier sa protection contre les attaques par canaux cachés (SCA) et les attaques par injection de fautes (FIA). Nous expliquons aussi le fait qu une réorganisation des blocs au niveau macroarchitecture du processeur HCrypt, augmente la résistance du nouveau processeur HCrypt2 par rapport aux attaques de type DPA et FIA. Nous étudions ensuite les possibilités pour pouvoir reconfigurer dynamiquement les parties sélectionnées de l architecture du processeur crypto-coprocesseur. La reconfiguration dynamique peut être très utile lorsque l algorithme de chiffrement ou ses implantations doivent être changés en raison de l apparition d une vulnérabilité Finalement, la dernière partie de ces travaux de thèse, est destinée à l exécution des tests de fonctionnalité et des optimisations stricts des deux versions du cryptoprocesseur HCryptArchitectures of cryptographic processors and coprocessors are often vulnerable to different kinds of attacks, especially those targeting the disclosure of encryption keys. It is well known that manipulating confidential keys by the processor as ordinary data can represent a threat: a change in the program code (malicious or unintentional) can cause the unencrypted confidential key to leave the security area. This way, the security of the whole system would be irrecoverably compromised. The aim of our work was to search for flexible and reconfigurable hardware architectures, which can provide high security of confidential keys during their generation, storage and exchange while implementing common symmetric key cryptographic modes and protocols. In the first part of the manuscript, we introduce the bases of applied cryptography and of reconfigurable computing that are necessary for better understanding of the work. Second, we present threats to security of confidential keys when stored and processed within an embedded system. To counteract these threats, novel design rules increasing robustness of cryptographic processors and coprocessors against software attacks are presented. The rules suggest separating registers dedicated to key storage from those dedicated to data storage: we propose to partition the system into the data, cipher and key zone and to isolate the zones from each other at protocol, system, architectural and physical levels. Next, we present a novel HCrypt crypto-processor complying with the separation rules and thus ensuring secure key management. Besides instructions dedicated to secure key management, some additional instructions are dedicated to easy realization of block cipher modes and cryptographic protocols in general. In the next part of the manuscript, we show that the proposed separation principles can be extended also to a processor-coprocessor architecture. We propose a secure crypto-coprocessor, which can be used in conjunction with any general-purpose processor. To demonstrate its flexibility, the crypto-coprocessor is interconnected with the NIOS II, MicroBlaze and Cortex M1 soft-core processors. In the following part of the work, we examine the resistance of the HCrypt cryptoprocessor to differential power analysis (DPA) attacks. Following this analysis, we modify the architecture of the HCrypt processor in order to simplify its protection against side channel attacks (SCA) and fault injection attacks (FIA). We show that by rearranging blocks of the HCrypt processor at macroarchitecture level, the new HCrypt2 processor becomes natively more robust to DPA and FIA. Next, we study possibilities of dynamically reconfiguring selected parts of the processor - crypto-coprocessor architecture. The dynamic reconfiguration feature can be very useful when the cipher algorithm or its implementation must be changed in response to appearance of some vulnerability. Finally, the last part of the manuscript is dedicated to thorough testing and optimizations of both versions of the HCrypt crypto-processor. Architectures of crypto-processors and crypto-coprocessors are often vulnerable to software attacks targeting the disclosure of encryption keys. The thesis introduces separation rules enabling crypto-processor/coprocessors to support secure key management. Separation rules are implemented on novel HCrypt crypto-processor resistant to software attacks targetting the disclosure of encryption keysST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF