Key-Based Cookie-Less Session Management Framework for Application Layer Security

The goal of this study is to extend the guarantees provided by the secure transmission protocols such as Secure Sockets Layer (SSL) or Transport Layer Security (TLS) and apply them to the application layer. This paper proposes a comprehensive scheme that allows the unification of multiple security mechanisms, thereby removing the burden of authentication, mutual authentication, continuous authentication, and session management from the application development life-cycle. The proposed scheme will allow creation of high-level security mechanisms such as access control and group authentication on top of the extended security provisions. This scheme effectively eliminates the need for session cookies, session tokens and any similar technique currently in use. Hence reducing the attack surface and nullifying a vast group of attack vectors

TUSH-Key: Transferable User Secrets on Hardware Key

Passwordless authentication was first tested for seamless and secure merchant payments without the use of passwords or pins. It opened a whole new world of authentications giving up the former reliance on traditional passwords. It relied on the W3C Web Authentication (WebAuthn) and Client to Authenticator Protocol (CTAP) standards to use the public key cryptosystem to uniquely attest a user's device and then their identity. These standards comprise of the FIDO authentication standard. As the popularity of passwordless is increasing, more and more users and service providers are adopting to it. However, the concept of device attestation makes it device-specific for a user. It makes it difficult for a user to switch devices. FIDO Passkeys were aimed at solving the same, synchronizing the private cryptographic keys across multiple devices so that the user can perform passwordless authentication even from devices not explicitly enrolled with the service provider. However, passkeys have certain drawbacks including that it uses proprietary end to end encryption algorithms, all keys pass through proprietary cloud provider, and it is usually not very seamless when dealing with cross-platform key synchronization. To deal with the problems and drawbacks of FIDO Passkeys, the paper proposes a novel private key management system for passwordless authentication called Transferable User Secret on Hardware Key (TUSH-Key). TUSH-Key allows cross-platform synchronization of devices for seamless passwordless logins with FIDO2 specifications

Security issues in Internet of Things

The main idea behind the concept of the Internet of Things (IoT) is to connect all kinds of everyday objects, thus enabling them to communicate to each other and enabling people to communicate to them. IoT is an extensive concept that encompasses a wide range of technologies and applications. This document gives an introduction to what the IoT is, its fundamental characteristics and the enabling technologies that are currently being used. However, the technologies for the IoT are still evolving and maturing, leading to major challenges that need to be solved for a successful deployment of the IoT. Security is one of the most significant ones. Security issues may represent the greatest obstacle to general acceptance of the IoT. This document presents an assessment of the IoT security goals, its threats and the security requirements to achieve the goals. A survey on a representative set of already deployed IoT technologies is done to assess the current state of the art with regards to security. For each solution, a description of its functionality, its security options and the issues found in the literature is given. Finally, the common issues are identified and a set of future solutions are given.La idea principal detrás del concepto de Internet de las cosas (IoT) es conectar todo tipo de objetos cotidianos, para permitir comunicarse entre sí y que personas se comuniquen con ellos. IoT es un amplio concepto que abarca una extensa gama de tecnologías y aplicaciones. Este documento da una introducción a lo que es el IoT, sus características fundamentales y las tecnologías que se están utilizando actualmente. Sin embargo, las tecnologías usadas en el IoT todavía están en evolución y madurando, dando lugar a grandes desafíos que deben resolverse para un despliegue exitoso del IoT. La seguridad es uno de las más significativos. Los problemas de seguridad pueden representar el mayor obstáculo para la aceptación general del IoT. Este documento presenta una evaluación de los objetivos de seguridad en el IoT, sus amenazas y los requisitos necesarios para alcanzar dichos objetivos. Se realiza un estudio sobre un conjunto representativo de tecnologías IoT en uso para evaluar su estado actual respecto a la seguridad. Para cada solución, se da una descripción de su funcionalidad, sus protecciones y los problemas encontrados. Finalmente, se identifican los problemas comunes y se dan un conjunto de soluciones futuras.La idea principal darrera del concepte d'Internet de les coses (IoT) és connectar tot tipus d'objectes quotidians, per permetre comunicar-se entre sí i que les persones es comuniquin amb ells. IoT és un ampli concepte que engloba una extensa gamma de tecnologies i aplicacions. Aquest document dona una introducció al que és el IoT, les seves característiques fonamentals i les tecnologies que s'estan utilitzant actualment. No obstant, les tecnologies utilitzades en el IoT encara estan evolucionant i madurant, donant lloc a grans reptes que s'han de resoldre per a un desplegament exitós del IoT. La seguretat és un dels reptes més significatius. Els problemes de seguretat poden representar el major obstacle per l'acceptació general de l'IoT. Aquest document presenta una avaluació dels objectius de seguretat en el Iot, les seves amenaces i els requisits necessaris per assolir aquests objectius. Es realitza un estudi sobre un conjunt representatiu de tecnologies IoT en ús per avaluar el seu estat actual respecte a la seguretat. Per cada solució, es dona una descripció de la seva funcionalitat, les seves proteccions i els problemes trobats. Finalment, s'identifiquen els problemes comuns i es donen un conjunt de solucions futures

IoTsafe, Decoupling Security from Applications for a Safer IoT

The use of robust security solutions is a must for the Internet of Things (IoT) devices and their applications: regulators in different countries are creating frameworks for certifying those devices with an acceptable security level. However, even for already certified devices, security protocols have to be updated when a breach is found or a certain version becomes obsolete. Many approaches for securing IoT applications are nowadays based on the integration of a security layer [e.g., using transport layer security, (TLS)], but this may result in difficulties when upgrading the security algorithms, as the whole application has to be updated. This fact may shorten the life of IoT devices. As a way to overcome these difficulties, this paper presents IoTsafe, a novel approach relying on secure socket shell (SSH), a feasible alternative to secure communications in IoT applications based on hypertext transfer protocol (HTTP and HTTP/2). In order to illustrate its advantages, a comparison between the traditional approach (HTTP with TLS) and our scheme (HTTP with SSH) is performed over low-power wireless personal area networks (6loWPAN) through 802.15.4 interfaces. The results show that the proposed approach not only provides a more robust and easy-To-update solution, but it also brings an improvement to the overall performance in terms of goodput and energy consumption. Core server stress tests are also presented, and the server performance is also analyzed in terms of RAM consumption and escalation strategies

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 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

Trusted and Privacy-preserving Embedded Systems: Advances in Design, Analysis and Application of Lightweight Privacy-preserving Authentication and Physical Security Primitives

Radio Frequency Identification (RFID) enables RFID readers to perform fully automatic wireless identification of objects labeled with RFID tags and is widely deployed to many applications, such as access control, electronic tickets and payment as well as electronic passports. This prevalence of RFID technology introduces various risks, in particular concerning the privacy of its users and holders. Despite the privacy risk, classical threats to authentication and identification systems must be considered to prevent the adversary from impersonating or copying (cloning) a tag. This thesis summarizes the state of the art in secure and privacy-preserving authentication for RFID tags with a particular focus on solutions based on Physically Unclonable Functions (PUFs). It presents advancements in the design, analysis and evaluation of secure and privacy-preserving authentication protocols for RFID systems and PUFs. Formalizing the security and privacy requirements on RFID systems is essential for the design of provably secure and privacy-preserving RFID protocols. However, existing RFID security and privacy models in the literature are often incomparable and in part do not reflect the capabilities of real-world adversaries. We investigate subtle issues such as tag corruption aspects that lead to the impossibility of achieving both mutual authentication and any reasonable notion of privacy in one of the most comprehensive security and privacy models, which is the basis of many subsequent works. Our results led to the refinement of this privacy model and were considered in subsequent works on privacy-preserving RFID systems. A promising approach to enhance the privacy in RFID systems without lifting the computational requirements on the tags are anonymizers. These are special devices that take off the computational workload from the tags. While existing anonymizer-based protocols are subject to impersonation and denial-of-service attacks, existing RFID security and privacy models do not include anonymizers. We present the first security and privacy framework for anonymizer-enabled RFID systems and two privacy-preserving RFID authentication schemes using anonymizers. Both schemes achieve several appealing features that were not simultaneously achieved by any previous proposal. The first protocol is very efficient for all involved entities, achieves privacy under tag corruption. It is secure against impersonation attacks and forgeries even if the adversary can corrupt the anonymizers. The second scheme provides for the first time anonymity and untraceability of tags against readers as well as secure tag authentication against collisions of malicious readers and anonymizers using tags that cannot perform public-key cryptography (i.e., modular exponentiations). The RFID tags commonly used in practice are cost-efficient tokens without expensive hardware protection mechanisms. Physically Unclonable Functions (PUFs) promise to provide an effective security mechanism for RFID tags to protect against basic hardware attacks. However, existing PUF-based RFID authentication schemes are not scalable, allow only for a limited number of authentications and are subject to replay, denial-of-service and emulation attacks. We present two scalable PUF-based authentication schemes that overcome these problems. The first protocol supports tag and reader authentication, is resistant to emulation attacks and highly scalable. The second protocol uses a PUF-based key storage and addresses an open question on the feasibility of destructive privacy, i.e., the privacy of tags that are destroyed during tag corruption. The security of PUFs relies on assumptions on physical properties and is still under investigation. PUF evaluation results in the literature are difficult to compare due to varying test conditions and different analysis methods. We present the first large-scale security analysis of ASIC implementations of the five most popular electronic PUF types, including Arbiter, Ring Oscillator, SRAM, Flip-Flop and Latch PUFs. We present a new PUF evaluation methodology that allows a more precise assessment of the unpredictability properties than previous approaches and we quantify the most important properties of PUFs for their use in cryptographic schemes. PUFs have been proposed for various applications, including anti-counterfeiting and authentication schemes. However, only rudimentary PUF security models exist, limiting the confidence in the security claims of PUF-based security mechanisms. We present a formal security framework for PUF-based primitives, which has been used in subsequent works to capture the properties of image-based PUFs and in the design of anti-counterfeiting mechanisms and physical hash functions