Amélioration des tests de sécurité dynamiques "Hardware-in-the-Loop" pour les dispositifs embarqués basés sur Linux

Improving Hardware-in-the-loop Dynamic Security Testing For Linux-based Embedded Devices

• Auteur / Autrice : Paul L. R. Olivier
• Direction : Aurélien Francillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 22/03/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut EURECOM (Sophia-Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Davide Balzarotti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marius Muench, Vincent Nicomette, Fabienne Waidelich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Roca, Guillaume Hiet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Linux (logiciels)

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Émulation (informatique)

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Sécurité logicielle

Système embarqué

Analyse dynamique

Firmware

Hardware-in-the-loop

Emulation

Test de logiciel

Micrologiciel

System security

Embedded device

Firmware

Hardware-in-the-loop

Résumé

Les techniques d'analyse dynamique ont prouvé leur efficacité dans l'évaluation de la sécurité. Il est en revanche nécessaire de pouvoir exécuter le code à analyser et c'est souvent un défi pour les firmware dont la plupart sont profondément intégrés à l’architecture matérielle du système embarqué. L'émulation permet d’exécuter une grande partie du code mais se retrouve rapidement limitée lorsqu’il est nécessaire d'interagir avec des composants spécialisés. Pour cela, l’approche d'émulation partielle, ou hardware-in-the-loop, offre plusieurs avantages: transférer les accès aux matériels qui sont difficiles à émuler correctement et exécuter le firmware à tour de rôle sur les deux entités. Jusqu'à présent, cette approche a été principalement considérée pour les firmware monolithiques, mais moins pour les dispositifs utilisant des systèmes d'exploitation avancés. Dans cette thèse, nous explorons les défis des tests de sécurité pour les processus exécutés dans un environnement émulé où une partie de leur exécution doit être transmise à leur dispositif physique d'origine. Au travers de cette thèse, nous passons d'abord en revue les différentes techniques d'interception des appels système ainsi que leurs objectifs. Nous discutons des défis des différentes manières d'exécuter un processus dans deux noyaux Linux différents. Nous implémentons au travers d’un framework ces transferts pour un processus Linux avec ses appels système et accès mémoire entre son environnement émulé et son environnement d’origine sur le dispositif physique. Afin de surmonter les défis liés à l'utilisation de dispositifs physiques pour ces tests de sécurité, nous présentons également une nouvelle plateforme pour les tests de sécurité hardware-in-the-loop.

Dynamic analysis techniques have proven their effectiveness in security assessment. Nevertheless, it is necessary to be able to execute the code to be analyzed and this is often a challenge for firmware, most of which are deeply integrated into the hardware architecture of embedded systems. Emulation allows to execute a large part of the code but is quickly limited when it is necessary to interact with specialized components. For this, the partial emulation, or hardware-in-the-loop, approach offers several advantages: transferring access to hardware that is difficult to emulate properly and executing the firmware in turn on both entities. To date, this approach has been considered primarily for monolithic firmware, but less so for devices running advanced operating systems. In this thesis, we explore the challenges of security testing for processes running in an emulated environment where part of their execution must be transmitted to their original physical device. Throughout this thesis, we first review the various techniques for intercepting system calls and their objectives. We highlight the fact that forwarding is not a very well explored technique in depth but is a promising approach for evaluating the security of embedded applications. We discuss the challenges of different ways of running a process in two different Linux kernels. We implement through a framework these transfers for a Linux process with its system calls and memory accesses between its emulated environment and its original environment on the physical device. To overcome the challenges of using physical devices for these security tests, we also present a new test platform to reproduce hardware-in-the-loop security experiments.