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

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

A Power to Pulse Width Modulation Sensor for Remote Power Analysis Attacks

Field-programmable gate arrays (FPGAs) deployed on commercial cloud services are increasingly gaining popularity due to the cost and compute benefits offered by them. Recent studies have discovered security threats than can be launched remotely on FPGAs that share the logic fabric between trusted and untrusted parties, posing a danger to designs deployed on cloud FPGAs. With remote power analysis (RPA) attacks, an attacker aims to deduce secret information present on a remote FPGA by deploying an on-chip sensor on the FPGA logic fabric. Information captured with the on-chip sensor is transferred off the chip for analysis and existing on-chip sensors demand a significant amount of bandwidth for this task as a result of their wider output bit width. However, attackers are often left with the only option of using a covert communication channel and the bandwidth of such channels is generally limited. This paper proposes a novel area-efficient on-chip power sensor named PPWM that integrates a logic design outputting a pulse whose width is modulated by the power consumption of the FPGA. This pulse is used to clear a flip-flop selectively and asynchronously, and the single-bit output of the flip-flop is used to perform an RPA attack. This paper demonstrates the possibility of successfully recovering a 128-bit Advanced Encryption Standard (AES) key within 16,000 power traces while consuming just 25% of the bandwidth when compared to the state of the art. Moreover, this paper assesses the threat posed by the proposed PPWM to remote FPGAs including those that are deployed on cloud services

Voltage-based Covert Channels using FPGAs

FPGAs are increasingly used in cloud applications and being integrated into Systems-on-Chip (SoCs). For these systems, various side-channel attacks on cryptographic implementations have been reported, motivating to apply proper countermeasures. Beyond cryptographic implementations, maliciously introduced covert channel receivers and transmitters can allow to exfiltrate other secret information from the FPGA. In this paper, we present a fast covert channel on FPGAs, which exploits the on-chip power distribution network. This can be achieved without any logical connection between the transmitter and receiver blocks. Compared to a recently published covert channel with an estimated 4.8 Mbit/s transmission speed, we show 8 Mbit/s transmission and reduced errors from around 3% to less than 0.003%. Furthermore, we demonstrate proper transmissions of word-size messages and test the channel in the presence of noise generated from other residing tenants\u27 modules in the FPGA. When we place and operate other co-tenant modules that require 85% of the total FPGA area, the error rate increases to 0.02%, depending on the platform and setup. This error rate is still reasonably low for a covert channel. Overall, the transmitter and receiver work with less than 3-5% FPGA LUT resources together. We also show the feasibility of other types of covert channel transmitters, in the form of synchronous circuits within the FPGA

Systematic Characterization of Power Side Channel Attacks for Residual and Added Vulnerabilities

Power Side Channel Attacks have continued to be a major threat to cryptographic devices. Hence, it will be useful for designers of cryptographic systems to systematically identify which type of power Side Channel Attacks their designs remain vulnerable to after implementation. It’s also useful to determine which additional vulnerabilities they have exposed their devices to, after the implementation of a countermeasure or a feature. The goal of this research is to develop a characterization of power side channel attacks on different encryption algorithms\u27 implementations to create metrics and methods to evaluate their residual vulnerabilities and added vulnerabilities. This research studies the characteristics that influence the power side leakage, classifies them, and identifies both the residual vulnerabilities and the added vulnerabilities. Residual vulnerabilities are defined as the traits that leave the implementation of the algorithm still vulnerable to power Side Channel Attacks (SCA), sometimes despite the attempt at implementing countermeasures by the designers. Added vulnerabilities to power SCA are defined as vulnerabilities created or enhanced by the algorithm implementations and/or modifications. The three buckets in which we categorize the encryption algorithm implementations are: i. Countermeasures against power side channel attacks, ii. IC power delivery network impact to power leakage (including voltage regulators), iii. Lightweight ciphers and applications for the Internet of Things (IoT ) From the characterization of masking countermeasures, an example outcome developed is that masking schemes, when uniformly distributed random masks are used, are still vulnerable to collision power attacks. Another example outcome derived is that masked AES, when glitches occur, is still vulnerable to Differential Power Analysis (DPA). We have developed a characterization of power side-channel attacks on the hardware implementations of different symmetric encryption algorithms to provide a detailed analysis of the effectiveness of state-of-the-art countermeasures against local and remote power side-channel attacks. The characterization is accomplished by studying the attributes that influence power side-channel leaks, classifying them, and identifying both residual vulnerabilities and added vulnerabilities. The evaluated countermeasures include masking, hiding, and power delivery network scrambling. But, vulnerability to DPA depends largely on the quality of the leaked power, which is impacted by the characteristics of the device power delivery network. Countermeasures and deterrents to power side-channel attacks targeting the alteration or scrambling of the power delivery network have been shown to be effective against local attacks where the malicious agent has physical access to the target system. However, remote attacks that capture the leaked information from within the IC power grid are shown herein to be nonetheless effective at uncovering the secret key in the presence of these countermeasures/deterrents. Theoretical studies and experimental analysis are carried out to define and quantify the impact of integrated voltage regulators, voltage noise injection, and integration of on-package decoupling capacitors for both remote and local attacks. An outcome yielded by the studies is that the use of an integrated voltage regulator as a countermeasure is effective for a local attack. However, remote attacks are still effective and hence break the integrated voltage regulator countermeasure. From experimental analysis, it is observed that within the range of designs\u27 practical values, the adoption of on-package decoupling capacitors provides only a 1.3x increase in the minimum number of traces required to discover the secret key. However, the injection of noise in the IC power delivery network yields a 37x increase in the minimum number of traces to discover. Thus, increasing the number of on-package decoupling capacitors or the impedance between the local probing site and the IC power grid should not be relied on as countermeasures to power side-channel attacks, for remote attack schemes. Noise injection should be considered as it is more effective at scrambling the leaked signal to eliminate sensitive identifying information. However, the analysis and experiments carried out herein are applied to regular symmetric ciphers which are not suitable for protecting Internet of Things (IoT) devices. The protection of communications between IoT devices is of great concern because the information exchanged contains vital sensitive data. Malicious agents seek to exploit those data to extract secret information about the owners or the system. Power side channel attacks are of great concern on these devices because their power consumption unintentionally leaks information correlatable to the device\u27s secret data. Several studies have demonstrated the effectiveness of authenticated encryption with advanced data (AEAD), in protecting communications with these devices. In this research, we have proposed a comprehensive evaluation of the ten algorithm finalists of the National Institute of Standards and Technology (NIST) IoT lightweight cipher competition. The study shows that, nonetheless, some still present some residual vulnerabilities to power side channel attacks (SCA). For five ciphers, we propose an attack methodology as well as the leakage function needed to perform correlation power analysis (CPA). We assert that Ascon, Sparkle, and PHOTON-Beetle security vulnerability can generally be assessed with the security assumptions Chosen ciphertext attack and leakage in encryption only, with nonce-misuse resilience adversary (CCAmL1) and Chosen ciphertext attack and leakage in encryption only with nonce-respecting adversary (CCAL1) , respectively. However, the security vulnerability of GIFT-COFB, Grain, Romulus, and TinyJambu can be evaluated more straightforwardly with publicly available leakage models and solvers. They can also be assessed simply by increasing the number of traces collected to launch the attack

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