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Secure and safe virtualization-based framework for embedded systems development
Tese de Doutoramento - Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e de Computadores (PDEEC)The Internet of Things (IoT) is here. Billions of smart, connected devices are proliferating
at rapid pace in our key infrastructures, generating, processing and exchanging
vast amounts of security-critical and privacy-sensitive data. This strong connectivity
of IoT environments demands for a holistic, end-to-end security approach, addressing
security and privacy risks across different abstraction levels: device, communications,
cloud, and lifecycle managment.
Security at the device level is being misconstrued as the addition of features in a
late stage of the system development. Several software-based approaches such as
microkernels, and virtualization have been used, but it is proven, per se, they fail in
providing the desired security level. As a step towards the correct operation of these
devices, it is imperative to extend them with new security-oriented technologies
which guarantee security from the outset.
This thesis aims to conceive and design a novel security and safety architecture
for virtualized systems by 1) evaluating which technologies are key enablers for
scalable and secure virtualization, 2) designing and implementing a fully-featured
virtualization environment providing hardware isolation 3) investigating which "hard
entities" can extend virtualization to guarantee the security requirements dictated by
confidentiality, integrity, and availability, and 4) simplifying system configurability
and integration through a design ecosystem supported by a domain-specific language.
The developed artefacts demonstrate: 1) why ARM TrustZone is nowadays a reference
technology for security, 2) how TrustZone can be adequately exploited for
virtualization in different use-cases, 3) why the secure boot process, trusted execution
environment and other hardware trust anchors are essential to establish and
guarantee a complete root and chain of trust, and 4) how a domain-specific language
enables easy design, integration and customization of a secure virtualized
system assisted by the above mentioned building blocks.Vivemos na era da Internet das Coisas (IoT). Biliões de dispositivos inteligentes
começam a proliferar nas nossas infraestruturas chave, levando ao processamento
de avolumadas quantidades de dados privados e sensíveis. Esta forte conectividade
inerente ao conceito IoT necessita de uma abordagem holística, em que os riscos
de privacidade e segurança são abordados nas diferentes camadas de abstração:
dispositivo, comunicações, nuvem e ciclo de vida.
A segurança ao nível dos dispositivos tem sido erradamente assegurada pela inclusão
de funcionalidades numa fase tardia do desenvolvimento. Têm sido utilizadas diversas
abordagens de software, incluindo a virtualização, mas está provado que estas
não conseguem garantir o nível de segurança desejado. De forma a garantir a correta
operação dos dispositivos, é fundamental complementar os mesmos com novas tecnologias
que promovem a segurança desde os primeiros estágios de desenvolvimento.
Esta tese propõe, assim, o desenvolvimento de uma solução arquitetural inovadora
para sistemas virtualizados seguros, contemplando 1) a avaliação de tecnologias
chave que promovam tal realização, 2) a implementação de uma solução de virtualização
garantindo isolamento por hardware, 3) a identificação de componentes
que integrados permitirão complementar a virtualização para garantir os requisitos
de segurança, e 4) a simplificação do processo de configuração e integração da solução
através de um ecossistema suportado por uma linguagem de domínio específico.
Os artefactos desenvolvidos demonstram: 1) o porquê da tecnologia ARM TrustZone
ser uma tecnologia de referência para a segurança, 2) a efetividade desta tecnologia
quando utilizada em diferentes domínios, 3) o porquê do processo seguro de inicialização,
juntamente com um ambiente de execução seguro e outros componentes de
hardware, serem essenciais para estabelecer uma cadeia de confiança, e 4) a viabilidade
em utilizar uma linguagem de um domínio específico para configurar e integrar
um ambiente virtualizado suportado pelos artefactos supramencionados