Watermarking Public-key Cryptographic Functionalities and Implementations

A watermarking scheme for a public-key cryptographic functionality enables the embedding of a mark in the instance of the secret-key algorithm such that the functionality of the original scheme is maintained, while it is infeasible for an adversary to remove the mark (unremovability) or mark a fresh object without the marking key (unforgeability). Cohen et al. [STOC\u2716] has provided constructions for watermarking arbitrary cryptographic functionalities; the resulting schemes rely on indistinguishability obfuscation (iO) and leave two important open questions: (i) the realization of both unremovability and unforgeability, and (ii) schemes the security of which reduces to simpler hardness assumptions than iO. In this paper we provide a new definitional framework that distinguishes between watermarking cryptographic functionalities and implementations (think of ElGamal encryption being an implementation of the encryption functionality), while at the same time provides a meaningful relaxation of the watermarking model that enables both unremovability and unforgeability under minimal hardness assumptions. In this way we can answer questions regarding the ability to watermark a given implementation of a cryptographic functionality which is more refined compared to the question of whether a watermarked implementation functionality exists. Taking advantage of our new formulation we present the first constructions for watermarking public key encryption that achieve both unremovability and unforgeability under minimal hardness assumptions. Our first construction enables the watermarking of any public-key encryption implementation assuming only the existence of one-way functions for private key detection. Our second construction is at the functionality level and uses a stronger assumption (existence of identity-based encryption (IBE)) but supports public detection of the watermark

Open secure infrastructure to control user access to multimedia content

This paper will start by describing OpenSDRM an open-source framework developed for the IST project MOSES., OpenSDRM is used to control the multimedia content consumption in conjunction with the new IPMPX MPEG-4 proposed standard. This architecture, composed by several building blocks, protects the content flow from creation to final user consumption on a specific device. This paper devotes a special attention to the security aspects of the OpenSDRM processes and functions, describing its communication protocols and message exchanges as well as it introduces the security details about the user's digital wallet.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

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

Security Aspects of Printed Electronics Applications

Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt

Contribution to the construction of fingerprinting and watermarking schemes to protect mobile agents and multimedia content

The main characteristic of fingerprinting codes is the need of high error-correction capacity due to the fact that they are designed to avoid collusion attacks which will damage many symbols from the codewords. Moreover, the use of fingerprinting schemes depends on the watermarking system that is used to embed the codeword into the content and how it honors the marking assumption. In this sense, even though fingerprinting codes were mainly used to protect multimedia content, using them on software protection systems seems an option to be considered. This thesis, studies how to use codes which have iterative-decoding algorithms, mainly turbo-codes, to solve the fingerprinting problem. Initially, it studies the effectiveness of current approaches based on concatenating tradicioanal fingerprinting schemes with convolutional codes and turbo-codes. It is shown that these kind of constructions ends up generating a high number of false positives. Even though this thesis contains some proposals to improve these schemes, the direct use of turbo-codes without using any concatenation with a fingerprinting code as inner code has also been considered. It is shown that the performance of turbo-codes using the appropiate constituent codes is a valid alternative for environments with hundreds of users and 2 or 3 traitors. As constituent codes, we have chosen low-rate convolutional codes with maximum free distance. As for how to use fingerprinting codes with watermarking schemes, we have studied the option of using watermarking systems based on informed coding and informed embedding. It has been discovered that, due to different encodings available for the same symbol, its applicability to embed fingerprints is very limited. On this sense, some modifications to these systems have been proposed in order to properly adapt them to fingerprinting applications. Moreover the behavior and impact over a video produced as a collusion of 2 users by the YouTube’s s ervice has been s tudied. We have also studied the optimal parameters for viable tracking of users who have used YouTube and conspired to redistribute copies generated by a collusion attack. Finally, we have studied how to implement fingerprinting schemes and software watermarking to fix the problem of malicious hosts on mobile agents platforms. In this regard, four different alternatives have been proposed to protect the agent depending on whether you want only detect the attack or avoid it in real time. Two of these proposals are focused on the protection of intrusion detection systems based on mobile agents. Moreover, each of these solutions has several implications in terms of infrastructure and complexity.Els codis fingerprinting es caracteritzen per proveir una alta capacitat correctora ja que han de fer front a atacs de confabulació que malmetran una part important dels símbols de la paraula codi. D'atra banda, la utilització de codis de fingerprinting en entorns reals està subjecta a que l'esquema de watermarking que gestiona la incrustació sigui respectuosa amb la marking assumption. De la mateixa manera, tot i que el fingerprinting neix de la protecció de contingut multimèdia, utilitzar-lo en la protecció de software comença a ser una aplicació a avaluar. En aquesta tesi s'ha estudiat com aplicar codis amb des codificació iterativa, concretament turbo-codis, al problema del rastreig de traïdors en el context del fingerprinting digital. Inicialment s'ha qüestionat l'eficàcia dels enfocaments actuals en la utilització de codis convolucionals i turbo-codis que plantegen concatenacions amb esquemes habituals de fingerprinting. S'ha demostrat que aquest tipus de concatenacions portaven, de forma implícita, a una elevada probabilitat d'inculpar un usuari innocent. Tot i que s'han proposat algunes millores sobre aquests esquemes , finalment s'ha plantejat l'ús de turbocodis directament, evitant així la concatenació amb altres esquemes de fingerprinting. S'ha demostrat que, si s'utilitzen els codis constituents apropiats, el rendiment del turbo-descodificador és suficient per a ser una alternativa aplicable en entorns amb varis centenars d'usuaris i 2 o 3 confabuladors . Com a codis constituents s'ha optat pels codis convolucionals de baix ràtio amb distància lliure màxima. Pel que fa a com utilitzar els codis de fingerprinting amb esquemes de watermarking, s'ha estudiat l'opció d'utilitzar sistemes de watermarking basats en la codificació i la incrustació informada. S'ha comprovat que, degut a la múltiple codificació del mateix símbol, la seva aplicabilitat per incrustar fingerprints és molt limitada. En aquest sentit s'ha plantejat algunes modificacions d'aquests sistemes per tal d'adaptar-los correctament a aplicacions de fingerprinting. D'altra banda s'ha avaluat el comportament i l'impacte que el servei de YouTube produeix sobre un vídeo amb un fingerprint incrustat. A més , s'ha estudiat els paràmetres òptims per a fer viable el rastreig d'usuaris que han confabulat i han utilitzat YouTube per a redistribuir la copia fruït de la seva confabulació. Finalment, s'ha estudiat com aplicar els esquemes de fingerprinting i watermarking de software per solucionar el problema de l'amfitrió maliciós en agents mòbils . En aquest sentit s'han proposat quatre alternatives diferents per a protegir l'agent en funció de si és vol només detectar l'atac o evitar-lo en temps real. Dues d'aquestes propostes es centren en la protecció de sistemes de detecció d'intrusions basats en agents mòbils. Cadascuna de les solucions té diverses implicacions a nivell d'infrastructura i de complexitat.Postprint (published version