Técnicas para o projeto de hardware criptográfico tolerante a falhas

Abstract

Este trabalho tem como foco principal o estudo de um tipo específico de ataque a sistemas criptográficos. A implementação em hardware, de algoritmos criptográficos, apresenta uma série de vulnerabilidades, as quais, não foram previstas no projeto original de tais algoritmos. Os principais alvos destes tipos de ataque são dispositivos portáteis que implementam algoritmos criptográfico em hardware devido as limitações de seus processadores embarcados. Um exemplo deste tipo de dispositivo são os Smart Cards, os quais, são extensamente utilizados nos sistemas GSM de telefonia móvel e estão sendo adotados no ramo bancário. Tais dispositivos podem ser atacados de diferentes maneiras, por exemplo, analisando-se a energia consumida pelo dispositivo, o tempo gasto no processamento ou ainda explorando a suscetibilidade do hardware a ocorrência de falhas transientes. O objetivo de tais ataques é a extração de informações sigilosas armazenadas no cartão como, por exemplo, a chave criptográfica. Ataques por injeção maliciosa de falhas no hardware são comumente chamados de DFA (Differencial Fault Attack) ou simplesmente fault attack. O objetivo deste trabalho foi estudar como ataques por DFA ocorrem em diferentes algoritmos e propor soluções para impedir tais ataques. Os algoritmos criptográficos abordados foram o DES e o AES, por serem amplamente conhecidos e utilizados. São apresentadas diferentes soluções capazes de ajudar a impedir a execução de ataques por DFA. Tais soluções são baseadas em técnicas de tolerância a falhas, as quais, foram incorporadas à implementações em hardware dos algoritmos estudados. As soluções apresentadas são capazes de lidar com múltiplas falhas simultaneamente e, em muitos casos a ocorrência de falhas torna-se transparente ao usuário ou atacante. Isso confere um novo nível de segurança, na qual, o atacante é incapaz de ter certeza a respeito da eficácio de seu método de injeção de falhas. A validação foi realizada através de simulações de injeção de falhas simples e múltiplas. Os resultados mostram uma boa eficácia dos mecanismos propostos, desta forma, elevando o nível de segurança nos sistemas protegidos. Além disso, foram mantidos os compromissos com área e desempenho.

This work focuses on the study of a particular kind of attack against cryptographic systems. The hardware implementation of cryptographic algorithms present a number of vulnerabilities not taken into account in the original design of the algorithms. The main targets of such attacks are portable devices which include cryptographic hardware due to limitations in their embedded processors, like the Smart Cards, which are already largely used in GSM mobile phones and are beginning to spread in banking applications. These devices can be attacked in several ways, e.g., by analysing the power consummed by the device, the time it takes to perform an operation, or even by exploring the susceptibility of the hardware to the occurrence of transient faults. These attacks aim to extract sensitive information stored in the device, such as a cryptographic key. Attacks based on the malicious injection of hardware faults are commonly called Differential Fault Attacks (DFA), or simply fault attacks. The goal of the present work was to study how fault attacks are executed against different algorithms, and to propose solutions to avoid such attacks. The algorithms selected for this study were the DES and the AES, both well known and largely deployed. Different solutions to help avoid fault attacks are presented. The solutions are based on fault tolerance techniques, and were included in hardware implementations of the selected algorithms.The proposed solutions are capable to handle multiple simultaneous faults, and, in many cases, the faults are detected and corrected in a way that is transparent for the user and the attacker. This provides a new level of security, where the attacker is unable to verify the efficiency of the fault injection procedure. Validation was performed through single and multiple fault injection simulations. The results showed the efficiency of the proposed mechanisms, thus providing more security to the protected systems. A performance and area compromise was kept as well.