Secure extension of FPGA general purpose processors for symmetric key cryptography with partial reconfiguration capabilities

International audienceIn data security systems, general purpose processors (GPPs) are often extended by a cryptographic accelerator. The paper presents three ways of extending GPPs for symmetric key cryptography applications. Proposed extensions guarantee secure key storage and management even if the system is facing protocol, software and cache memory attacks. The system is partitioned into processor, cipher, and key memory zones. The three security zones are separated at protocol, system, architecture and physical levels. The proposed principle was validated on Altera NIOS II, Xilinx MicroBlaze and Microsemi Cortex M1 soft core processor extensions. We show that stringent separation of the cipher zone is helpful for partial reconfiguration of the security module, if the enciphering algorithm needs to be dynamically changed. However, the key zone including reconfiguration controller must remain static in order to maintain the high level of security required. We demonstrate that the principle is feasible in partially reconfigurable field programmable gate arrays (FPGAs) such as Altera Stratix V or Xilinx Virtex 6 and also to some extent in FPGAs featuring hardwired general purpose processors such as Cortex M3 in Microsemi SmartFusion FPGA. Although the three GPPs feature different data interfaces, we show that the processors with their extensions reach the required high security level while maintaining partial reconfiguration capability

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

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

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

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

Virtualized Reconfigurable Resources and Their Secured Provision in an Untrusted Cloud Environment

The cloud computing business grows year after year. To keep up with increasing demand and to offer more services, data center providers are always searching for novel architectures. One of them are FPGAs, reconfigurable hardware with high compute power and energy efficiency. But some clients cannot make use of the remote processing capabilities. Not every involved party is trustworthy and the complex management software has potential security flaws. Hence, clients’ sensitive data or algorithms cannot be sufficiently protected. In this thesis state-of-the-art hardware, cloud and security concepts are analyzed and com- bined. On one side are reconfigurable virtual FPGAs. They are a flexible resource and fulfill the cloud characteristics at the price of security. But on the other side is a strong requirement for said security. To provide it, an immutable controller is embedded enabling a direct, confidential and secure transfer of clients’ configurations. This establishes a trustworthy compute space inside an untrusted cloud environment. Clients can securely transfer their sensitive data and algorithms without involving vulnerable software or a data center provider. This concept is implemented as a prototype. Based on it, necessary changes to current FPGAs are analyzed. To fully enable reconfigurable yet secure hardware in the cloud, a new hybrid architecture is required.Das Geschäft mit dem Cloud Computing wächst Jahr für Jahr. Um mit der steigenden Nachfrage mitzuhalten und neue Angebote zu bieten, sind Betreiber von Rechenzentren immer auf der Suche nach neuen Architekturen. Eine davon sind FPGAs, rekonfigurierbare Hardware mit hoher Rechenleistung und Energieeffizienz. Aber manche Kunden können die ausgelagerten Rechenkapazitäten nicht nutzen. Nicht alle Beteiligten sind vertrauenswürdig und die komplexe Verwaltungssoftware ist anfällig für Sicherheitslücken. Daher können die sensiblen Daten dieser Kunden nicht ausreichend geschützt werden. In dieser Arbeit werden modernste Hardware, Cloud und Sicherheitskonzept analysiert und kombiniert. Auf der einen Seite sind virtuelle FPGAs. Sie sind eine flexible Ressource und haben Cloud Charakteristiken zum Preis der Sicherheit. Aber auf der anderen Seite steht ein hohes Sicherheitsbedürfnis. Um dieses zu bieten ist ein unveränderlicher Controller eingebettet und ermöglicht eine direkte, vertrauliche und sichere Übertragung der Konfigurationen der Kunden. Das etabliert eine vertrauenswürdige Rechenumgebung in einer nicht vertrauenswürdigen Cloud Umgebung. Kunden können sicher ihre sensiblen Daten und Algorithmen übertragen ohne verwundbare Software zu nutzen oder den Betreiber des Rechenzentrums einzubeziehen. Dieses Konzept ist als Prototyp implementiert. Darauf basierend werden nötige Änderungen von modernen FPGAs analysiert. Um in vollem Umfang eine rekonfigurierbare aber dennoch sichere Hardware in der Cloud zu ermöglichen, wird eine neue hybride Architektur benötigt

Trusted Computing using Enhanced Manycore Architectures with Cryptoprocessors

International audienceManycore architectures correspond to a main evolution of computing systems due to their high processing power. Many applications can be executed in parallel which provides users with a very efficient technology. Cloud computing is one of the many domains where manycore architectures will play a major role. Thus, building secure manycore architectures is a critical issue. However a trusted platform based on manycore architectures is not available yet. In this paper we discuss the main challenges and some possible solutions to enhance manycore architectures with cryptoprocessor