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. ... mehrEs 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.

An increasing amount of computer systems are connected on a global scale and become remotely accessible, increasing their requirements for security. One recent technology that is increasingly used as a computing accelerator, both for embedded systems and in the cloud, are Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). They are very flexible devices that can be configured and programmed by software, to implement arbitrary digital circuits. Like other integrated circuits, FPGAs are based on modern semiconductor technologies that are affected by variations in the manufacturing process and runtime conditions. ... mehrIt is already known that these variations impact the reliability of a system, but their impact on security has not been widely explored.

This PhD thesis looks into a cross section of these topics: Remotely-accessible and multi-user FPGAs, and the security threats dependent on physical variation in modern semiconductor technologies. The first contribution in this thesis identifies transient voltage fluctuations as one of the highest impacts on FPGA performance, and experimentally analyzes their dependency on the workload the FPGA is executing. In the remaining thesis, the security implications of these transient voltage fluctuations are explored. Various attacks are proven possible that were previously thought to require physical access to the chip, and the use of dedicated and expensive test and measurement equipment. It shows that isolation countermeasures can be circumvented by a malicious user with partial access to the FPGA, affecting other users in the same FPGA, or complete system.

Using circuits to affect the FPGA on-chip voltage, active attacks are shown that can cause faults in other parts of the system. By that, Denial-of-Service is possible, and can also be escalated to extract secret key information from the system. Furthermore, passive attacks are shown that indirectly measure the on-chip voltage fluctuations, and show that these measurements are sufficient to extract secret key information through power analysis side-channel attacks, which can also be escalated to other chips connected to the same power supply as the FPGA. To prove comparable attacks are not exclusive to FPGAs, small IoT devices are also shown vulnerable to attacks that leverage on partial access to their power distribution network.

Overall, this thesis shows that fundamental physical variations in integrated circuits can undermine the security of an entire system, even if the attacker is absent from the device. For FPGAs in their current form, these problems need to be solved before they can be securely used in multi-user systems, or with 3rd party access to them. In publications that are not part of this thesis, some first countermeasures were already explored.