Remote Side-Channel Attacks on Heterogeneous SoC

International audienceThanks to their performance and flexibility, FPGAs are increasingly adopted for hardware acceleration on various platforms such as system on chip and cloud datacenters. Their use for commercial and industrial purposes raises concern about potential hardware security threats. By getting access to the FPGA fabric, an attacker could implement malicious logic to perform remote hardware attacks. Recently, several papers demonstrated that FPGA can be used to eavesdrop or disturb the activity of resources located within and outside the chip. In a complex SoC that contains a processor and a FPGA within the same die, we experimentally demonstrate that FPGA-based voltage sensors can eavesdrop computations running on the CPU and that advanced side-channel attacks can be conducted remotely to retrieve the secret key of a symmetric crypto-algorithm

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

Experimental evaluation of two software countermeasures against fault attacks

Injection of transient faults can be used as a way to attack embedded systems. On embedded processors such as microcontrollers, several studies showed that such a transient fault injection with glitches or electromagnetic pulses could corrupt either the data loads from the memory or the assembly instructions executed by the circuit. Some countermeasure schemes which rely on temporal redundancy have been proposed to handle this issue. Among them, several schemes add this redundancy at assembly instruction level. In this paper, we perform a practical evaluation for two of those countermeasure schemes by using a pulsed electromagnetic fault injection process on a 32-bit microcontroller. We provide some necessary conditions for an efficient implementation of those countermeasure schemes in practice. We also evaluate their efficiency and highlight their limitations. To the best of our knowledge, no experimental evaluation of the security of such instruction-level countermeasure schemes has been published yet.Comment: 6 pages, 2014 IEEE International Symposium on Hardware-Oriented Security and Trust (HOST), Arlington : United States (2014

FPGA-Based Testbed for Fault Injection on SHA-256

In real world applications, cryptographic algorithms are implemented in hardware or software on specific devices. An active attacker may inject faults during the computation process and careful analysis of faulty results can potentially leak secret information. These kinds of attacks known as fault injection attacks may have devastating effects in the field of hardware and embedded cryptography. This research proposes a partial implementation of SHA-256 along with an onboard fault injection circuit implemented on an FPGA. The proposed fault injection circuit is used to generate glitches in the clock to induce a setup time violation in the circuit and thereby produce error(s) in the output. The main objective of this research is to study the viability of fault injection using the clock glitches on the SHA-256

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

A Fixed-Latency Architecture to Secure GOOSE and Sampled Value Messages in Substation Systems

International Electrotechnical Commission (IEC) 62351-6 standard specifies the security mechanisms to protect real-time communications based on IEC 61850. Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE) and Sampled Value (SV) messages must be generated, transmitted and processed in less than 3 ms, which challenges the introduction of IEC 62351-6. After evaluating the security threats to IEC 61850 communications and the state of the art in GOOSE and SV security, this work presents a novel architecture based on wire-speed processing able to provide message authentication and confidentiality. This architecture has been implemented and tested to evaluate its performance, resource usage, and the latency introduced. Other proposals in the scientific literature do not support real-time traffic, so they are not suitable for GOOSE and SV messages. Whereas the others exceed the target latency of 3 ms or do not comply with the standards, our design authenticates and encrypts real-time IEC 61850 data in less than 7 mu s-predictable latency-, and complies with IEC 62351:2020.This work was supported in part by the Ministerio de Economia y Competitividad of Spain under Project TEC2017-84011-R, in part by Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) Funds through the Doctorados Industriales program under Grant DI-15-07857, and in part by the Department of Education, Linguistic Policy and Culture of the Basque Government through the Fund for Research Groups of the Basque University System under Grant IT978-16

Analysis and Design of Clock-glitch Fault Injection within an FPGA

In modern cryptanalysis, an active attacker may induce errors during the computation of a cryptographic algorithm and exploit the faulty results to extract information about the secret key in embedded systems. This kind of attack is called a fault attack. There have been various attack mechanisms with diff erent fault models proposed in the literature. Among them, clock glitch faults support practically dangerous fault attacks on cryptosystems. This thesis presents an FPGA-based practical testbed for characterizing exploitable clock glitch faults and uniformly evaluating cryptographic systems against them. Concentrating on Advanced Encryption Standard (AES), simulation and experimental results illustrates proper features for the clock glitches generated by the implemented on-chip glitch generator. These glitches can be injected reliably with acceptably accurate timing. The produced faults are random but their eff ect domain is finely controllable by the attacker. These features makes clock glitch faults practically suitable for future possible complete fault attacks on AES. This research is important for investigating the viability and analysis of fault injections on various cryptographic functions in future embedded systems