Formally verified countermeasures against cache based attacks in virtualization platforms

Cache based attacks are a class of side-channel attacks that are particularly effective in virtualized or cloud-based environments, where they have been used to recover secret keys from cryptographic implementations. One common approach to thwart cache-based attacks is to use constant-time implementations, which do not branch on secrets and do not perform memory accesses that depend on secrets. However, there is no rigorous proof that constant-time implementations are protected against concurrent cache attacks in virtualization platforms; moreover, many prominent implementations are not constant-time. An alternative approach is to rely on system-level mechanisms. One recent such mechanism is stealth memory, which provisions a small amount of private cache for programs to carry potentially leaking computations securely. We weaken the definition of constant-time, introducing a new program classification called S-constant-time, that captures the behavior of programs that correctly use stealth memory. This new definition encompasses some widely used cryptographic implementations. However, there was no rigorous analysis of stealth memory and S-constant-time, and no tool support for checking if applications are S-constant-time. In this thesis, we propose a new information-flow analysis that checks if an x86 application executes in constant-time or S-constant-time. Moreover, we prove that (S-)constant-time programs do not leak confidential information through the cache to other operating systems executing concurrently on virtualization platforms. The soundness proofs are based on new theorems of independent interest, including isolation theorems for virtualization platforms, and proofs that (S-)constant-time implementations are non-interfering with respect to a strict information flow policy which disallows that control flow and memory accesses depend on secrets. We formalize our results using the Coq proof assistant and we demonstrate the effectiveness of our analyses on cryptographic implementations, including PolarSSL AES, DES and RC4, SHA256 and Salsa20.Los ataques basados en el cache son una clase de ataques de canal lateral (side-channel) particularmente efectivos en entornos virtualizados o basados en la nube, donde han sido usados para recuperar claves secretas de implementaciones criptográficas. Un enfoque común para frustrar los ataques basados en cache es usar implementaciones de tiempo constante (constant-time), las cuales no tienen bifurcaciones basadas en secretos, y no realizan accesos a memoria que dependan de secretos. Sin embargo, no existe una prueba rigurosa de que las implementaciones de tiempo constante están protegidas de ataques concurrentes de cache en plataformas de virtualización. Además, muchas implementaciones populares no son de tiempo constante. Un enfoque alternativo es utilizar mecanismos a nivel del sistema. Uno de los más recientes de estos es stealth memory, que provee una pequeña cantidad de cache privado a los programas para que puedan llevar a cabo de manera segura computaciones que potencialmente filtran información. En este trabajo se debilita la definición de tiempo constante, introduciendo una nueva clasificación de programas llamada S-constant-time, que captura el comportamiento de programas que hacen un uso correcto de stealth memory. Esta nueva definición abarca implementaciones criptográficas ampliamente utilizadas. Sin embargo, hasta el momento no había un análisis riguroso de stealth memory y S-constant-time, y ningún soporte de herramientas que permitan verificar si una aplicación es S-constant-time. En esta tesis, proponemos un nuevo análisis de flujo de información que verifica si una aplicación x86 ejecuta en constant-time o S-constant-time. Además, probamos que los programas (S-)constant-time no filtran información confidencial a través del cache a otros sistemas operativos ejecutando concurrentemente en plataformas de virtualización. La pruebas de corrección están basadas en propiedades que incluyen teoremas, de interés en sí mismos, de aislamiento para plataformas de virtualización y pruebas de que las implementaciones (S-)constant-time son no interferentes con respecto a una política estricta de flujo de información que no permite que el control de flujo y los accesos a memoria dependan de secretos. Formalizamos nuestros resultados utilizando el asistente de pruebas Coq, y mostramos la efectividad de nuestros análisis en implementaciones criptográficas que incluyen PolarSSL AES, DES y RC4, SHA256 y Salsa20

SOCIAL NETWORKING FOR BOTNET COMMAND AND CONTROL

A botnet is a group of compromised computers which is often a large group under the command and control of a malicious user, known as a botmaster. Botnets are generally recognized as a serious Internet threat. Botnets can be used for a wide variety of malicious attacks including spamming, distributed denial of service, and obtaining sensitive information such as authentication credentials or credit card information. This project involves building a botnet centered on Twitter. Our botnet uses individual bots controlled by commands tweeted by botmaster; the botnet can expand in a viral manner by following affected Twitter user’s friends. This botnet is only intended as a proof of concept and it does not perform any malicious actions

Wide-Area Situation Awareness based on a Secure Interconnection between Cyber-Physical Control Systems

Posteriormente, examinamos e identificamos los requisitos especiales que limitan el diseño y la operación de una arquitectura de interoperabilidad segura para los SSC (particularmente los SCCF) del smart grid. Nos enfocamos en modelar requisitos no funcionales que dan forma a esta infraestructura, siguiendo la metodología NFR para extraer requisitos esenciales, técnicas para la satisfacción de los requisitos y métricas para nuestro modelo arquitectural. Estudiamos los servicios necesarios para la interoperabilidad segura de los SSC del SG revisando en profundidad los mecanismos de seguridad, desde los servicios básicos hasta los procedimientos avanzados capaces de hacer frente a las amenazas sofisticadas contra los sistemas de control, como son los sistemas de detección, protección y respuesta ante intrusiones. Nuestro análisis se divide en diferentes áreas: prevención, consciencia y reacción, y restauración; las cuales general un modelo de seguridad robusto para la protección de los sistemas críticos. Proporcionamos el diseño para un modelo arquitectural para la interoperabilidad segura y la interconexión de los SCCF del smart grid. Este escenario contempla la interconectividad de una federación de proveedores de energía del SG, que interactúan a través de la plataforma de interoperabilidad segura para gestionar y controlar sus infraestructuras de forma cooperativa. La plataforma tiene en cuenta las características inherentes y los nuevos servicios y tecnologías que acompañan al movimiento de la Industria 4.0. Por último, presentamos una prueba de concepto de nuestro modelo arquitectural, el cual ayuda a validar el diseño propuesto a través de experimentaciones. Creamos un conjunto de casos de validación que prueban algunas de las funcionalidades principales ofrecidas por la arquitectura diseñada para la interoperabilidad segura, proporcionando información sobre su rendimiento y capacidades.Las infraestructuras críticas (IICC) modernas son vastos sistemas altamente complejos, que precisan del uso de las tecnologías de la información para gestionar, controlar y monitorizar el funcionamiento de estas infraestructuras. Debido a sus funciones esenciales, la protección y seguridad de las infraestructuras críticas y, por tanto, de sus sistemas de control, se ha convertido en una tarea prioritaria para las diversas instituciones gubernamentales y académicas a nivel mundial. La interoperabilidad de las IICC, en especial de sus sistemas de control (SSC), se convierte en una característica clave para que estos sistemas sean capaces de coordinarse y realizar tareas de control y seguridad de forma cooperativa. El objetivo de esta tesis se centra, por tanto, en proporcionar herramientas para la interoperabilidad segura de los diferentes SSC, especialmente los sistemas de control ciber-físicos (SCCF), de forma que se potencie la intercomunicación y coordinación entre ellos para crear un entorno en el que las diversas infraestructuras puedan realizar tareas de control y seguridad cooperativas, creando una plataforma de interoperabilidad segura capaz de dar servicio a diversas IICC, en un entorno de consciencia situacional (del inglés situational awareness) de alto espectro o área (wide-area). Para ello, en primer lugar, revisamos las amenazas de carácter más sofisticado que amenazan la operación de los sistemas críticos, particularmente enfocándonos en los ciberataques camuflados (del inglés stealth) que amenazan los sistemas de control de infraestructuras críticas como el smart grid. Enfocamos nuestra investigación al análisis y comprensión de este nuevo tipo de ataques que aparece contra los sistemas críticos, y a las posibles contramedidas y herramientas para mitigar los efectos de estos ataques