Attaques matérielles à distance des objets connectés

Remote hardware attacks on connected devices

• Auteur / Autrice : Joseph Gravellier
• Direction : Jean-Max Dutertre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Microélectronique de Provence - Site Georges Charpak (CMP-GC)
• Jury : Président / Présidente : Edith Kussener
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Max Dutertre, Edith Kussener, Régis Leveugle, Jacques Fournier, Emmanuel Prouff, Lilian Bossuet, Yannick Teglia, Philippe Loubet-Moundi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edith Kussener, Régis Leveugle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pirates informatiques

Internet des objets

Cyberdéfense

Mots clés libres

Attaques matérielles

Attaques à distance

Capteurs intégrés

Analyse de courant

Injection de faute

SoC

FPGA

SideLine

FaultLine

Hardware attacks

Remote attacks

On-chip sensing

SoC

FPGA

Power sidechannel

Fault injection

Delay-lines

SideLine

FaultLine

Résumé

Cette thèse propose d’étudier ces nouveaux chemins d’attaque qui exploitent des vulnérabilités physiques à distance. Plus précisément elle s’intéresse à celles qui utilisent du logiciel comme vecteur d’attaque matérielle. Il peut s’agir par exemple d’un programme malveillant envoyé à des dizaines, voire des milliers d’appareils connectés. Une fois actif, il identifie des ressources matérielles présentes dans les systèmes ciblés (capteurs, régulateurs) et les détourne de leur rôle initial afin de mener des attaques matérielles. À l’instar d’attaques reconnues telles que Rowhammer, CLKSCREW ou Platypus, les travaux réalisés durant ces trois années de recherche contribuent à mettre en avant le danger potentiel des attaques matérielles à distance. Cette thèse contient des résultats variés allant de l’analyse de consommation sur FPGA à de l’injection de faute sur processeurs complexes. Elle décrit la menace potentielle des attaques matérielles à distance, notamment au regard de l’adoption d’entités de sécurité intégrées dans les processeurs complexes et de l’accroissement des services connectés en général (IoT, Cloud). Toutes ces études ont été menées de façon à être reproductibles et réalisables à distance. Elles visent à préparer les différents acteurs de la sécurisation des objets connectés à cette menace naissante et ainsi éviter sa mise en exécution future sur des milliers d’appareils à travers le monde.

In this thesis we evaluate software-based hardware attacks, a novel attack family that targets connected devices such as IoT products, smartphones or cloud datacenters. These attacks take advantage of hardware resources that can be directly accessed from software in complex integrated circuits and use them to conduct fault injection and side-channel analysis exploits. Because they are triggered by software code, they can be launched remotely and on multiple victim devices regardless of their physical location. Through the evaluation of software-based hardware attacks we aim at assessing the level of threat they pose to connected devices security. The challenge is considerable since any connected device is potentially endangered. Through our experiments, we discovered generic attack vectors widely implemented in recent SoCs that could enable remote hardware attacks. We conducted FPGA-to-FPGA and FPGA-to-CPU attacks and demonstrated that remote power analysis was feasible. These new attack paths represent a serious threat for FPGA-based systems especially when applied to cloud FPGAs and heterogeneous SoCs. Then, we went further by proving that delay-line components, widely implemented in high-end SoCs, could be used for conducting fault injection and side-channel attacks. We built various scenarios such as CPU-to-MCU attacks on complex operating systems and demonstrated that software-based hardware attacks could successfully break the logical isolation between processes and lead to the extraction of sensitive information. Our research works describe the methodology adopted to build and conduct the attacks along with countermeasure proposals to mitigate their impact.