Thwarting Fault Attacks using the Internal Redundancy Countermeasure (IRC)

A growing number of connected objects, with their high performance and low-resources constraints, are embedding lightweight ciphers for protecting the confidentiality of the data they manipulate or store. Since those objects are easily accessible, they are prone to a whole range of physical attacks, one of which are fault attacks against for which countermeasures are usually expensive to implement, especially on off-the-shelf devices. For such devices, we propose a new generic software countermeasure, called the Internal Redundancy Countermeasure (IRC), to thwart most fault attacks while preserving the performances of the targeted cipher. We report practical experiments showing that IRC successfully thwarts fault attacks on the block cipher PRIDE and on the stream cipher TRIVIUM for which we protect both the initialization and the keystream generation

On Side-Channel Vulnerabilities of Bit Permutations: Key Recovery and Reverse Engineering

Lightweight block ciphers rely on simple operations to allow compact implementation. Thanks to its efficiency, bit permutation has emerged as an optimal choice for state-wise diffusion. It can be implemented by simple wiring or shifts. However, as recently shown by Spectre and Meltdown attacks, efficiency and security often go against each other. In this work, we show how bit permutations introduce a side-channel vulnerability that can be exploited to extract the secret key from the cipher. Such vulnerabilities are specific to bit permutations and do not occur in other state-wise diffusion alternatives. We propose Side-Channel Assisted Differential-Plaintext Attack (SCADPA) which targets this vulnerability in bit permutation operation. SCADPA is experimentally demonstrated on PRESENT-80 on an 8-bit microcontroller, with the best case key recovery in 17 encryptions. The attack is then extended to latest bit-permutation based cipher GIFT, allowing full key recovery in 36 encryptions. We also propose and experimentally verify an automatic threshold method which can be easily applied to SCADPA, allowing automation of the attack. Moreover, SCADPA on bit permutations has other applications. Application for reverse engineering secret sboxes in PRESENT-like proprietary ciphers is shown. We also highlight a special case, where fixing one vulnerability opens another one. This is shown by applying SCADPA on some assembly level fault attack countermeasures, rendering it less secure than unprotected implementations. Lastly, we also provide several different attack scenarios, such as targeting different encryption modes

On a Side Channel and Fault Attack Concurrent Countermeasure Methodology for MCU-based Byte-sliced Cipher Implementations

As IoT applications are increasingly being deployed, there comes along an ever increasing need for the security and privacy of the involved data. Since cryptographic implementations are used to achieve these goals, it is important for embedded software developers to take into consideration hardware attacks. Side Channel Analysis (SCA) and Fault Attacks (FA) are the main classes of such attacks, which can either reduce or even eliminate the security levels of an em-bedded design. Therefore, cryptographic implementations must address both of them at the same time. To this end, multiple solutions have been proposed to address both attacks in one solution, such as Dual Pre-charge Logic (DPL) and Encoding countermeasures. In this work, we discuss the advantages and disadvantages of the state of the art, concurrent SCA and FA countermeasures. Additionally, we propose a software countermeasure in order to provide protection against both types of attacks. The proposed countermeasure is a general approach, applicable to any byte-sliced cipher and any modern MCUs (32- and 64-bit). The proposed countermeasure is ap-plied to an AES S-BOX implementation, for a 32-bit MCU (ARM Cortex-M3). The countermeasure has been experimen-tally evaluated against Correlation Power Analysis (CPA) attacks for both platforms while its fault detection capabilities are theoretically described

Méthodes logicielles formelles pour la sécurité des implémentations cryptographiques

Implementations of cryptosystems are vulnerable to physical attacks, and thus need to be protected against them.Of course, malfunctioning protections are useless.Formal methods help to develop systems while assessing their conformity to a rigorous specification.The first goal of my thesis, and its innovative aspect, is to show that formal methods can be used to prove not only the principle of the countermeasures according to a model,but also their implementations, as it is where the physical vulnerabilities are exploited.My second goal is the proof and the automation of the protection techniques themselves, because handwritten security code is error-prone.Les implémentations cryptographiques sont vulnérables aux attaques physiques, et ont donc besoin d'en être protégées.Bien sûr, des protections défectueuses sont inutiles.L'utilisation des méthodes formelles permet de développer des systèmes tout en garantissant leur conformité à des spécifications données.Le premier objectif de ma thèse, et son aspect novateur, est de montrer que les méthodes formelles peuvent être utilisées pour prouver non seulement les principes des contre-mesures dans le cadre d'un modèle, mais aussi leurs implémentations, étant donné que c'est là que les vulnérabilités physiques sont exploitées.Mon second objectif est la preuve et l'automatisation des techniques de protection elles-même, car l'écriture manuelle de code est sujette à de nombreuses erreurs, particulièrement lorsqu'il s'agit de code de sécurité

Security and Privacy for Modern Wireless Communication Systems

The aim of this reprint focuses on the latest protocol research, software/hardware development and implementation, and system architecture design in addressing emerging security and privacy issues for modern wireless communication networks. Relevant topics include, but are not limited to, the following: deep-learning-based security and privacy design; covert communications; information-theoretical foundations for advanced security and privacy techniques; lightweight cryptography for power constrained networks; physical layer key generation; prototypes and testbeds for security and privacy solutions; encryption and decryption algorithm for low-latency constrained networks; security protocols for modern wireless communication networks; network intrusion detection; physical layer design with security consideration; anonymity in data transmission; vulnerabilities in security and privacy in modern wireless communication networks; challenges of security and privacy in node–edge–cloud computation; security and privacy design for low-power wide-area IoT networks; security and privacy design for vehicle networks; security and privacy design for underwater communications networks

Advanced persistent threats

Tese de mestrado, Segurança Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Os sistemas computacionais tornaram-se uma parte importante da nossa sociedade, para além de estarmos intrinsecamente ligados a eles, a maioria da informação que utilizamos no nosso dia-a-dia está no seu formato digital. Ao contrário de um documento físico, um documento digital está exposto a uma maior variedade de ameaças, principalmente se estiver de alguma forma disponível `a Internet. Informação é poder, por isso não é de admirar que alguém, algures esteja a tentar roubá-la, assim, é facto que os adversários já operam neste novo mundo. Ladrões, terroristas e mesmo a máfia começaram a utilizar a internet como um meio para alcançar os seus fins. A cibersegurança tenta proteger a informação e os sistemas contra estes e outros tipos de ameaças, utilizando anti-vírus, firewalls ou detetores de intrusões, entre outros. Infelizmente as notícias continuam a sair, milhões de euros roubados a bancos por via informática, empresas saqueadas da sua propriedade intelectual e governos envergonhados por os seus segredos serem expostos ao mundo. A questão coloca-se, porque é que os sistemas de segurança estão a falhar? Como está o adversário a ultrapassá-los? A verdade hoje em dia é que os atacantes não só adquiriram talentos avançados na área como também têm acesso a ferramentas extremamente sofisticadas e vão fazer uso delas para serem bem-sucedidos nos seus objetivos, sejam estes o roubo de informação, o objetivo mais comum e por isso o mais abordado neste trabalho, seja o ataque a infraestruturas críticas. Advanced Persistent Threat(APT), ou ameaça avançada persistente, é um termo utilizado para caracterizar atacantes sofisticados, organizados e com recursos para concretizar ataques informáticos. Inventado pela força aérea Americana em 2006, o termo era uma forma de discutir intrusões informáticas com pessoal não militar. Nas suas origens, a palavra Ameaça indica que o adversário não é um pedaço de código automático, ou seja, o adversário ´e humano e ´e este humano que controla parte do ataque e contribui para o seu sucesso, avançada porque este humano é treinado e especializado na utilização de todo o espectro informático de forma a melhor conseguir atingir o seu objectivo e persistente, pois esse objectivo é formalmente definido, ou seja, o ataque só está concluído quando atingir o alvo em pleno. Infelizmente, o termo passou a ser utilizado para descrever qualquer ataque informático e a ter uma conotação extremamente comercial devido aos sistemas anti-APT que invadiram o mercado pouco tempo depois do ataque sofrido pela Google em 2010. Neste trabalho abordamos estes pressupostos, e explica-se o verdadeiro significado do termo juntamente com uma forma mais científica, claramente mais útil do ponto das abordagens da engenharia. Nomeadamente, sugere-se uma visão mais abrangente da campanha de ataque, não se focando apenas no software utilizado pelo adversário, mas tentando olhar para a campanha como um todo; equipas, organização, manutenção e orçamento, entre outros. Mostramos também porque estes ataques são diferentes, relativamente às suas tácticas, técnicas e procedimentos, e porque merecem ser distinguidos com a sua própria designação e o seu próprio ciclo de vida. Para além de identificarmos vários ciclos de vida associados às APTs, o ciclo de vida mais utilizado para caracterizar estas campanhas de ataque foi analisado em detalhe, desde as primeiras etapas de reconhecimento até à conclusão dos objectivos. Discute-se também a essência de cada passo e porque são, ou não, importantes. De seguida realiza-se uma análise ao tipo de atacante por trás destas campanhas, quem são, quais as suas histórias e objectivos. Avalia-se também porque é que os mecanismos de defesa tradicionais continuam a ser ultrapassados e n˜ao conseguem acompanhar o passo rápido dos atacantes. Isto acontece principalmente devido à utilização de listas do que é malicioso e o bloqueio apenas do que se encontra nessa lista, chamado de black listing. Ainda que se tenha já realizado trabalho na área de deteccão de anomalias, mostra-se também o porquê de esses sistemas continuarem a não ser suficientes, nomeadamente devido ao facto de definirem os seus pressupostos base erroneamente. Durante a realização deste trabalho percebeu-se a falta de estatísticas que pudessem responder a algumas questões. E por isso foi realizado um estudo aos relatórios disponíveis relativos a este tipo de ataques e apresentados os resultados de uma forma simples, organizada e resumida. Este estudo veio ajudar a perceber quais os maiores objectivos neste tipo de ataque, nomeadamente a espionagem e o roubo de informação confidencial; quais os maiores vectores de ataque (sendo o e-mail o grande vencedor devido à facilidade de explorar o vector humano); quais as aplicações alvo e a utilização, ou não, de vulnerabilidades desconhecidas. Esperamos que esta recolha de informação seja útil para trabalhos futuros ou para interessados no tema. Só depois de realizado este estudo foi possível pensar em formas de contribuir para a solução do problema imposto pelas APTs. Uma distinção ficou clara, existe não só a necessidade de detectar APTs, mas também a criticalidade da sua prevenção. A melhor forma de não ser vítima de infeção é a aplicação de boas práticas de segurança e, neste caso, a formação de todo o pessoal relativamente ao seu papel na segurança geral da organização. Aborda-se também a importância da preparação; segurança não é apenas proteger-se dos atacantes, mas principalmente saber como recuperar. Relativamente à deteção, foi realizado trabalho em duas vertentes, primeiramente e visto o trabalho ter sido realizado em ambiente de empresa, foi elaborado um plano para um sistema capaz de detectar campanhas de ataque que utilizassem o vetor de infeção do e-mail, fazendo uso dos sistemas já desenvolvidos pela AnubisNetworks que, sendo uma empresa de segurança informática com fortes ligações ao e-mail, tinha o conhecimento e as ferramentas necessárias para a concretização do sistema. O sistema faz uso de uma caracterização de pessoas, chamado de people mapping, que visa a identificar os principais alvos dentro da empresa e quem exibe maiores comportamentos de risco. Esta caracterização possibilita a criação de uma lista de pessoal prioritário, que teria o seu e-mail (caso tivesse anexos ou endereços) analisado em ambiente de sandbox. Este sistema acabou por não ser construído e é apenas deixada aqui a sua esquematização, sendo que fica lançado o desafio para a sua realização. De forma a contribuir não só para a empresa, mas também para a comunidade científica de segurança, foi de seguida realizado trabalho de deteção em vários pontos de qualquer rede informática seguindo os quatro principais passos na execução de uma campanha APT. Decidimos então utilizar um ciclo de vida composto por quatro etapas, sendo elas, a fase de reconhecimento, a infeção inicial, o controlo e o roubo de informação. Neste modelo, procuraram-se possíveis sistemas para a deteção de eventos relacionados com APTs nos três principais pontos de qualquer rede: a Internet, a Intranet e a máquina cliente. Ao analisar cada fase em cada ponto da rede, foi possível perceber realmente quais as principais áreas de estudo e desenvolvimento para melhor detectar APTs. Mais concretamente, concluiu-se que a internet seria o ponto ideal de deteção das fases de reconhecimento, a intranet para detetar controlo e roubo de informação e a máquina cliente para detetar infeção inicial. Conclui-se o trabalho apresentando o nosso ponto de vista relativamente ao futuro, isto é, quem vai fazer uso das táticas utilizadas nas campanhas APT visto serem extremamente bem sucedidas, como vão os atacantes adaptar-se aos novos mecanismos de defesa e quais os novos possíveis vetores de infeção.Computer systems have become a very important part of our society, most of the information we use in our everyday lives is in its digital form, and since information is power it only makes sense that someone, somewhere will try to steal it. Attackers are adapting and now have access to highly sophisticated tools and expertise to conduct highly targeted and very complex attack campaigns. Advanced Persistent Threat, or APT, is a term coined by the United States Air Force around 2006 as a way to talk about classified intrusions with uncleared personnel. It wrongly and quickly became the standard acronym to describe every sort of attack. This work tries to demystify the problem of APTs, why they are called as such, and what are the most common tactics, techniques and procedures. It also discusses previously proposed life-cycles, profile the most common adversaries and takes a look at why traditional defences will not stop them. A big problem encountered while developing this work was the lack of statistics regarding APT attacks. One of the big contributions here consists on the search for publicly available reports, its analysis, and presentation of relevant information gathered in a summarised fashion. From the most targeted applications to the most typical infection vector, insight is given on how and why the adversaries conduct these attacks. Only after a clear understanding of the problem is reached, prevention and detection schemes were discussed. Specifically, blueprints for a system to be used by AnubisNetworks are presented, capable of detecting these attacks at the e-mail level. It is based on sandboxing and people mapping, which is a way to better understand people, one of the weakest links in security. The work is concluded by trying to understand how the threat landscape will shape itself in upcoming years

On Security and Privacy for Networked Information Society : Observations and Solutions for Security Engineering and Trust Building in Advanced Societal Processes

Our society has developed into a networked information society, in which all aspects of human life are interconnected via the Internet — the backbone through which a significant part of communications traffic is routed. This makes the Internet arguably the most important piece of critical infrastructure in the world. Securing Internet communications for everyone using it is extremely important, as the continuing growth of the networked information society relies upon fast, reliable and secure communications. A prominent threat to the security and privacy of Internet users is mass surveillance of Internet communications. The methods and tools used to implement mass surveillance capabilities on the Internet pose a danger to the security of all communications, not just the intended targets. When we continue to further build the networked information upon the unreliable foundation of the Internet we encounter increasingly complex problems,which are the main focus of this dissertation. As the reliance on communication technology grows in a society, so does the importance of information security. At this stage, information security issues become separated from the purely technological domain and begin to affect everyone in society. The approach taken in this thesis is therefore both technical and socio-technical. The research presented in this PhD thesis builds security in to the networked information society and provides parameters for further development of a safe and secure networked information society. This is achieved by proposing improvements on a multitude of layers. In the technical domain we present an efficient design flow for secure embedded devices that use cryptographic primitives in a resource-constrained environment, examine and analyze threats to biometric passport and electronic voting systems, observe techniques used to conduct mass Internet surveillance, and analyze the security of Finnish web user passwords. In the socio-technical domain we examine surveillance and how it affects the citizens of a networked information society, study methods for delivering efficient security education, examine what is essential security knowledge for citizens, advocate mastery over surveillance data by the targeted citizens in the networked information society, and examine the concept of forced trust that permeates all topics examined in this work.Yhteiskunta, jossa elämme, on muovautunut teknologian kehityksen myötä todelliseksi tietoyhteiskunnaksi. Monet verkottuneen tietoyhteiskunnan osa-alueet ovat kokeneet muutoksen tämän kehityksen seurauksena. Tämän muutoksen keskiössä on Internet: maailmanlaajuinen tietoverkko, joka mahdollistaa verkottuneiden laitteiden keskenäisen viestinnän ennennäkemättömässä mittakaavassa. Internet on muovautunut ehkä keskeisimmäksi osaksi globaalia viestintäinfrastruktuuria, ja siksi myös globaalin viestinnän turvaaminen korostuu tulevaisuudessa yhä enemmän. Verkottuneen tietoyhteiskunnan kasvu ja kehitys edellyttävät vakaan, turvallisen ja nopean viestintäjärjestelmän olemassaoloa. Laajamittainen tietoverkkojen joukkovalvonta muodostaa merkittävän uhan tämän järjestelmän vakaudelle ja turvallisuudelle. Verkkovalvonnan toteuttamiseen käytetyt menetelmät ja työkalut eivät vain anna mahdollisuutta tarkastella valvonnan kohteena olevaa viestiliikennettä, vaan myös vaarantavat kaiken Internet-liikenteen ja siitä riippuvaisen toiminnan turvallisuuden. Kun verkottunutta tietoyhteiskuntaa rakennetaan tämän kaltaisia valuvikoja ja haavoittuvuuksia sisältävän järjestelmän varaan, keskeinen uhkatekijä on, että yhteiskunnan ydintoiminnot ovat alttiina ulkopuoliselle vaikuttamiselle. Näiden uhkatekijöiden ja niiden taustalla vaikuttavien mekanismien tarkastelu on tämän väitöskirjatyön keskiössä. Koska työssä on teknisen sisällön lisäksi vahva yhteiskunnallinen elementti, tarkastellaan tiukan teknisen tarkastelun sijaan aihepiirä laajemmin myös yhteiskunnallisesta näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa pyritään rakentamaan kokonaiskuvaa verkottuneen tietoyhteiskunnan turvallisuuteen, toimintaan ja vakauteen vaikuttavista tekijöistä, sekä tuomaan esiin uusia ratkaisuja ja avauksia eri näkökulmista. Työn tavoitteena on osaltaan mahdollistaa entistä turvallisemman verkottuneen tietoyhteiskunnan rakentaminen tulevaisuudessa. Teknisestä näkökulmasta työssä esitetään suunnitteluvuo kryptografisia primitiivejä tehokkaasti hyödyntäville rajallisen laskentatehon sulautetuviiille järjestelmille, analysoidaan biometrisiin passeihin, kansainväliseen passijärjestelmään, sekä sähköiseen äänestykseen kohdistuvia uhkia, tarkastellaan joukkovalvontaan käytettyjen tekniikoiden toimintaperiaatteita ja niiden aiheuttamia uhkia, sekä tutkitaan suomalaisten Internet-käyttäjien salasanatottumuksia verkkosovelluksissa. Teknis-yhteiskunnallisesta näkökulmasta työssä tarkastellaan valvonnan teoriaa ja perehdytään siihen, miten valvonta vaikuttaa verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisiin. Lisäksi kehitetään menetelmiä parempaan tietoturvaopetukseen kaikilla koulutusasteilla, määritellään keskeiset tietoturvatietouden käsitteet, tarkastellaan mahdollisuutta soveltaa tiedon herruuden periaatetta verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisistaan keräämän tiedon hallintaan ja käyttöön, sekä tutkitaan luottamuksen merkitystä yhteiskunnan ydintoimintojen turvallisuudelle ja toiminnalle, keskittyen erityisesti pakotetun luottamuksen vaikutuksiin

Cyber Law and Espionage Law as Communicating Vessels

Professor Lubin\u27s contribution is Cyber Law and Espionage Law as Communicating Vessels, pp. 203-225. Existing legal literature would have us assume that espionage operations and “below-the-threshold” cyber operations are doctrinally distinct. Whereas one is subject to the scant, amorphous, and under-developed legal framework of espionage law, the other is subject to an emerging, ever-evolving body of legal rules, known cumulatively as cyber law. This dichotomy, however, is erroneous and misleading. In practice, espionage and cyber law function as communicating vessels, and so are better conceived as two elements of a complex system, Information Warfare (IW). This paper therefore first draws attention to the similarities between the practices – the fact that the actors, technologies, and targets are interchangeable, as are the knee-jerk legal reactions of the international community. In light of the convergence between peacetime Low-Intensity Cyber Operations (LICOs) and peacetime Espionage Operations (EOs) the two should be subjected to a single regulatory framework, one which recognizes the role intelligence plays in our public world order and which adopts a contextual and consequential method of inquiry. The paper proceeds in the following order: Part 2 provides a descriptive account of the unique symbiotic relationship between espionage and cyber law, and further explains the reasons for this dynamic. Part 3 places the discussion surrounding this relationship within the broader discourse on IW, making the claim that the convergence between EOs and LICOs, as described in Part 2, could further be explained by an even larger convergence across all the various elements of the informational environment. Parts 2 and 3 then serve as the backdrop for Part 4, which details the attempt of the drafters of the Tallinn Manual 2.0 to compartmentalize espionage law and cyber law, and the deficits of their approach. The paper concludes by proposing an alternative holistic understanding of espionage law, grounded in general principles of law, which is more practically transferable to the cyber realmhttps://www.repository.law.indiana.edu/facbooks/1220/thumbnail.jp