Remote Inter-Chip Power Analysis Side-Channel Attacks at Board-Level

The current practice in board-level integration is to incorporate chips and components from numerous vendors. A fully trusted supply chain for all used components and chipsets is an important, yet extremely difficult to achieve, prerequisite to validate a complete board-level system for safe and secure operation. An increasing risk is that most chips nowadays run software or firmware, typically updated throughout the system lifetime, making it practically impossible to validate the full system at every given point in the manufacturing, integration and operational life cycle. This risk is elevated in devices that run 3rd party firmware. In this paper we show that an FPGA used as a common accelerator in various boards can be reprogrammed by software to introduce a sensor, suitable as a remote power analysis side-channel attack vector at the board-level. We show successful power analysis attacks from one FPGA on the board to another chip implementing RSA and AES cryptographic modules. Since the sensor is only mapped through firmware, this threat is very hard to detect, because data can be exfiltrated without requiring inter-chip communication between victim and attacker. Our results also prove the potential vulnerability in which any untrusted chip on the board can launch such attacks on the remaining system

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

The Risk of Outsourcing: Hidden SCA Trojans in Third-Party IP-Cores Threaten Cryptographic ICs

Side-channel analysis (SCA) attacks – especially power analysis – are powerful ways to extract the secrets stored in and processed by cryptographic devices. In recent years, researchers have shown interest in utilizing on-chip measurement facilities to perform such SCA attacks remotely. It was shown that simple voltage-monitoring sensors can be constructed from digital elements and put on multi-tenant FPGAs to perform remote attacks on neighbouring cryptographic co-processors. A similar threat is the unsuspecting integration of third-party IPCores into an IC design. Even if the function of an acquired IP-Core is not security critical by itself, it may contain an onchip sensor as a Trojan that can eavesdrop on cryptographic operations across the whole device. In contrast to all FPGAbased investigations reported in the literature so far, we examine the efficiency of such on-chip sensors as a source of information leakage in an ASIC-based case study for the first time. To this end, in addition to a cryptographic core (lightweight block cipher PRESENT) we designed and implemented a voltage-monitoring sensor on an ASIC fabricated by a 40nm commercial standard cell library. Despite the physical distance between the sensor and the PRESENT core, we show the possibility of fully recovering the secret key of the PRESENT core by processing the sensor’s output. Our results imply that the hidden insertion of such a sensor – for example by a malicious third party IP-Core vendor – can endanger the security of embedded systems which deal with sensitive information, even if the device cannot be physically accessed by the adversary

SoK : Remote Power Analysis

In recent years, numerous attacks have appeared that aim to steal secret information from their victim using the power side-channel vector, yet without direct physical access. These attacks are called Remote Power Attacks or Remote Power Analysis, utilizing resources that are natively present inside the victim environment. However, there is no unified definition about the limitations that a power attack requires to be defined as remote. This paper aims to propose a unified definition and concrete threat models to clearly differentiate remote power attacks from non-remote ones. Additionally, we collect the main remote power attacks performed so far from the literature, and the principal proposed countermeasures to avoid them. The search of such countermeasures denoted a clear gap in preventing remote power attacks at the technical level. Thus, the academic community must face an important challenge to avoid this emerging threat, given the clear room for improvement that should be addressed in terms of defense and security of devices that work with private information.acceptedVersionPeer reviewe

JackHammer: Efficient Rowhammer on Heterogeneous FPGA-CPU Platforms

After years of development, FPGAs are finally making an appearance on multi-tenant cloud servers. These heterogeneous FPGA-CPU architectures break common assumptions about isolation and security boundaries. Since the FPGA and CPU architectures share hardware resources, a new class of vulnerabilities requires us to reassess the security and dependability of these platforms. In this work, we analyze the memory and cache subsystem and study Rowhammer and cache attacks enabled on two proposed heterogeneous FPGA-CPU platforms by Intel: the Arria 10 GX with an integrated FPGA-CPU platform, and the Arria 10 GX PAC expansion card which connects the FPGA to the CPU via the PCIe interface. We show that while Intel PACs currently are immune to cache attacks from FPGA to CPU, the integrated platform is indeed vulnerable to Prime and Probe style attacks from the FPGA to the CPU's last level cache. Further, we demonstrate JackHammer, a novel and efficient Rowhammer from the FPGA to the host's main memory. Our results indicate that a malicious FPGA can perform twice as fast as a typical Rowhammer attack from the CPU on the same system and causes around four times as many bit flips as the CPU attack. We demonstrate the efficacy of JackHammer from the FPGA through a realistic fault attack on the WolfSSL RSA signing implementation that reliably causes a fault after an average of fifty-eight RSA signatures, 25% faster than a CPU rowhammer attack. In some scenarios our JackHammer attack produces faulty signatures more than three times more often and almost three times faster than a conventional CPU rowhammer attack.Comment: Accepted to IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems (TCHES), Volume 2020, Issue

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

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