SideLine: How Delay-Lines (May) Leak Secrets from your SoC

To meet the ever-growing need for performance in silicon devices, SoC providers have been increasingly relying on software-hardware cooperation. By controlling hardware resources such as power or clock management from the software, developers earn the possibility to build more flexible and power efficient applications. Despite the benefits, these hardware components are now exposed to software code and can potentially be misused as open-doors to jeopardize trusted environments, perform privilege escalation or steal cryptographic secrets. In this work, we introduce SideLine, a novel side-channel vector based on delay-line components widely implemented in high-end SoCs. After providing a detailed method on how to access and convert delay-line data into power consumption information, we demonstrate that these entities can be used to perform remote power side-channel attacks. We report experiments carried out on two SoCs from distinct vendors and we recount several core-vs-core attack scenarios in which an adversary process located in one processor core aims at eavesdropping the activity of a victim process located in another core. For each scenario, we demonstrate the adversary ability to fully recover the secret key of an OpenSSL AES running in the victim core. Even more detrimental, we show that these attacks are still practicable if the victim or the attacker program runs over an operating system

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

Power Side Channels in Security ICs: Hardware Countermeasures

Power side-channel attacks are a very effective cryptanalysis technique that can infer secret keys of security ICs by monitoring the power consumption. Since the emergence of practical attacks in the late 90s, they have been a major threat to many cryptographic-equipped devices including smart cards, encrypted FPGA designs, and mobile phones. Designers and manufacturers of cryptographic devices have in response developed various countermeasures for protection. Attacking methods have also evolved to counteract resistant implementations. This paper reviews foundational power analysis attack techniques and examines a variety of hardware design mitigations. The aim is to highlight exposed vulnerabilities in hardware-based countermeasures for future more secure implementations

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

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

Energy Efficient Hardware Design for Securing the Internet-of-Things

The Internet of Things (IoT) is a rapidly growing field that holds potential to transform our everyday lives by placing tiny devices and sensors everywhere. The ubiquity and scale of IoT devices require them to be extremely energy efficient. Given the physical exposure to malicious agents, security is a critical challenge within the constrained resources. This dissertation presents energy-efficient hardware designs for IoT security. First, this dissertation presents a lightweight Advanced Encryption Standard (AES) accelerator design. By analyzing the algorithm, a novel method to manipulate two internal steps to eliminate storage registers and replace flip-flops with latches to save area is discovered. The proposed AES accelerator achieves state-of-art area and energy efficiency. Second, the inflexibility and high Non-Recurring Engineering (NRE) costs of Application-Specific-Integrated-Circuits (ASICs) motivate a more flexible solution. This dissertation presents a reconfigurable cryptographic processor, called Recryptor, which achieves performance and energy improvements for a wide range of security algorithms across public key/secret key cryptography and hash functions. The proposed design employs circuit techniques in-memory and near-memory computing and is more resilient to power analysis attack. In addition, a simulator for in-memory computation is proposed. It is of high cost to design and evaluate new-architecture like in-memory computing in Register-transfer level (RTL). A C-based simulator is designed to enable fast design space exploration and large workload simulations. Elliptic curve arithmetic and Galois counter mode are evaluated in this work. Lastly, an error resilient register circuit, called iRazor, is designed to tolerate unpredictable variations in manufacturing process operating temperature and voltage of VLSI systems. When integrated into an ARM processor, this adaptive approach outperforms competing industrial techniques such as frequency binning and canary circuits in performance and energy.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147546/1/zhyiqun_1.pd

Remote dynamic partial reconfiguration: A threat to Internet-of-Things and embedded security applications

The advent of the Internet of Things has motivated the use of Field Programmable Gate Array (FPGA) devices with Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) capabilities for dynamic non-invasive modifications to circuits implemented on the FPGA. In particular, the ability to perform DPR over the network is essential in the context of a growing number of Internet of Things (IoT)-based and embedded security applications. However, the use of remote DPR brings with it a number of security threats that could lead to potentially catastrophic consequences in practical scenarios. In this paper, we demonstrate four examples where the remote DPR capability of the FPGA may be exploited by an adversary to launch Hardware Trojan Horse (HTH) attacks on commonly used security applications. We substantiate the threat by demonstrating remotely-launched attacks on Xilinx FPGA-based hardware implementations of a cryptographic algorithm, a true random number generator, and two processor-based security applications - namely, a software implementation of a cryptographic algorithm and a cash dispensing scheme. The attacks are launched by on-the-fly transfer of malicious FPGA configuration bitstreams over an Ethernet connection to perform DPR and leak sensitive information. Finally, we comment on plausible countermeasures to prevent such attack

Build framework and runtime abstraction for partial reconfiguration on FPGA SoCs

Growth in edge computing has increased the requirement for edge systems to process larger volumes of real-time data, such as with image processing and machine learning; which are increasingly demanding of computing resources. Offloading tasks to the cloud provides some relief but is network dependant, high latency and expensive. Alternative architectures such as GPUs provide higher performance acceleration for this type of data processing but trade processing performance for an increase in power consumption. Another option is the Field Programmable Gate Array; a flexible matrix of logic that can be configured by a designer to provide a highly optimised computation path for incoming data. There are drawbacks; the FPGA design process is complex, the domain is dissimilar to software and the tools require bespoke expertise. A designer must manage the hardware to software paradigm introduced when tightly-coupled with general purpose processor. Advanced features, such as the ability to partially reconfigure (PR) specific regions of the FPGA, further increase this complexity. This thesis presents theory and demonstration of custom frameworks and tools for increasing abstraction and simplifying control over PR applications. We present mechanisms for networked PR; a mechanism for bypassing the traditional software networking stack to trigger PR with reduced latency and increased determinism. We developed a build framework for automating the end-to-end PR design process for Linux based systems as well as an abstracted runtime for managing the resulting applications. Finally, we take expand on this work and present a high level abstraction for PR on cyber physical systems, with a demonstration using the Robot Operating System. This work is released as open source contributions, designed to enable future PR research

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability