The AtCathB3 gene, encoding a cathepsin B-like protease, is expressed during germination of Arabidopsis thaliana and transcriptionally repressed by the basic leucine zipper protein GBF1.

Protein hydrolysis plays an important role during seed germination and post-germination seedling establishment. In Arabidopsis thaliana, cathepsin B-like proteases are encoded by a gene family of three members, but only the AtCathB3 gene is highly induced upon seed germination and at the early post-germination stage. Seeds of a homozygous T-DNA insertion mutant in the AtCathB3 gene have, besides a reduced cathepsin B activity, a slower germination than the wild type. To explore the transcriptional regulation of this gene, we used a combined phylogenetic shadowing approach together with a yeast one-hybrid screening of an arrayed library of approximately 1200 transcription factor open reading frames from Arabidopsis thaliana. We identified a conserved CathB3-element in the promoters of orthologous CathB3 genes within the Brassicaceae species analysed, and, as its DNA-interacting protein, the G-Box Binding Factor1 (GBF1). Transient overexpression of GBF1 together with a PAtCathB3::uidA (β-glucuronidase) construct in tobacco plants revealed a negative effect of GBF1 on expression driven by the AtCathB3 promoter. In stable P35S::GBF1 lines, not only was the expression of the AtCathB3 gene drastically reduced, but a significant slower germination was also observed. In the homozygous knockout mutant for the GBF1 gene, the opposite effect was found. These data indicate that GBF1 is a transcriptional repressor of the AtCathB3 gene and affects the germination kinetics of Arabidopsis thaliana seeds. As AtCathB3 is also expressed during post-germination in the cotyledons, a role for the AtCathB3-like protease in reserve mobilization is also inferred.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Estudio empírico de la influencia de la experiencia y del conocimiento del dominio del analista en la efectividad de la educción de requisitos

Contexto: La presente tesis doctoral se enmarca en la actividad de educción de los requisitos. La educción de requisitos es generalmente aceptada como una de las actividades más importantes dentro del proceso de Ingeniería de Requisitos, y tiene un impacto directo en la calidad del software. Es una actividad donde la comunicación entre los involucrados (analistas, clientes, usuarios) es primordial. La efectividad y eficacia del analista en la compresión de las necesidades de clientes y usuarios es un factor crítico para el éxito del desarrollo de software. La literatura se ha centrado principalmente en estudiar y comprender un conjunto específico de capacidades o habilidades personales que debe poseer el analista para realizar de forma efectiva la actividad de educción. Sin embargo, existen muy pocos trabajos que han estudiado dichas capacidades o habilidades empíricamente. Objetivo: La presente investigación tiene por objetivo estudiar el efecto de la experiencia, el conocimiento acerca del dominio y la titulación académica que poseen los analistas en la efectividad del proceso de educción de los requisitos, durante los primeros contactos del analista con el cliente. Método de Investigación: Hemos ejecutado 8 estudios empíricos entre cuasi-experimentos (4) y experimentos controlados (4). Un total de 110 sujetos experimentales han participado en los estudios, entre estudiantes de post-grado de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Informáticos de la Universidad Politécnica de Madrid y profesionales. La tarea experimental consistió en realizar sesiones de educción de requisitos sobre uno o más dominios de problemas (de carácter conocido y desconocido para los sujetos). Las sesiones de educción se realizaron empleando la entrevista abierta. Finalizada la entrevista, los sujetos reportaron por escrito toda la información adquirida. Resultados: Para dominios desconocidos, la experiencia (entrevistas, requisitos, desarrollo y profesional) del analista no influye en su efectividad. En dominios conocidos, la experiencia en entrevistas (r = 0.34, p-valor = 0.080) y la experiencia en requisitos (r = 0.22, p-valor = 0.279), ejercen un efecto positivo. Esto es, los analistas con más años de experiencia en entrevistas y/o requisitos tienden a alcanzar mejores efectividades. Por el contrario, la experiencia en desarrollo (r = -0.06, p-valor = 0.765) y la experiencia profesional (r = -0.35, p-valor = 0.077), tienden a ejercer un efecto nulo y negativo, respectivamente. En lo que respecta al conocimiento acerca del dominio del problema que poseen los analistas, ejerce un moderado efecto positivo (r=0.31), estadísticamente significativo (p-valor = 0.029) en la efectividad de la actividad de educción. Esto es, los analistas con conocimiento tienden a ser más efectivos en los dominios de problema conocidos. En lo que respecta a la titulación académica, por falta de diversidad en las titulaciones académicas de los sujetos experimentales no es posible alcanzar una conclusión. Hemos podido explorar el efecto de la titulación académica en sólo dos cuasi-experimentos, sin embargo, nuestros resultados arrojan efectos contradictorios (r = 0.694, p-valor = 0.51 y r = -0.266, p-valor = 0.383). Además de las variables estudiadas indicadas anteriormente, hemos confirmado la existencia de variables moderadoras que afectan a la actividad de educción, tales como el entrevistado o la formación. Nuestros datos experimentales confirman que el entrevistado es un factor clave en la actividad de educción. Estadísticamente ejerce una influencia significativa en la efectividad de los analistas (p-valor= 0.000). La diferencia entre entrevistar a uno u otro entrevistado, en unidades naturales, varía entre un 18% - 23% en efectividad. Por otro lado, la formación en requisitos aumenta considerablemente la efectividad de los analistas. Los sujetos que realizaron la educción de requisitos después de recibir una formación específica en requisitos tienden a ser entre un 12% y 20% más efectivos que aquellos que no la recibieron. El efecto es significativo (p-valor = 0.000). Finalmente, hemos observado tres hechos que podrían influir en los resultados de esta investigación. En primer lugar, la efectividad de los analistas es diferencial dependiendo del tipo de elemento del dominio. En dominios conocidos, los analistas con experiencia tienden a adquirir más conceptos que los analistas noveles. En los dominios desconocidos, son los procesos los que se adquieren de forma prominente. En segundo lugar, los analistas llegan a una especie de “techo de cristal” que no les permite adquirir más información. Es decir, el analista sólo reconoce (parte de) los elementos del dominio del problema mencionado. Este hecho se observa tanto en el dominio de problema desconocido como en el conocido, y parece estar relacionado con el modo en que los analistas exploran el dominio del problema. En tercer lugar, aunque los años de experiencia no parecen predecir cuán efectivo será un analista, sí parecen asegurar que un analista con cierta experiencia, en general, tendrá una efectividad mínima que será superior a la efectividad mínima de los analistas con menos experiencia. Conclusiones: Los resultados obtenidos muestran que en dominios desconocidos, la experiencia por sí misma no determina la efectividad de los analistas de requisitos. En dominios conocidos, la efectividad de los analistas se ve influenciada por su experiencia en entrevistas y requisitos, aunque sólo parcialmente. Otras variables influyen en la efectividad de los analistas, como podrían ser las habilidades débiles. El conocimiento del dominio del problema por parte del analista ejerce un efecto positivo en la efectividad de los analistas, e interacciona positivamente con la experiencia incrementando aún más la efectividad de los analistas. Si bien no fue posible obtener conclusiones sólidas respecto al efecto de la titulación académica, si parece claro que la formación específica en requisitos ejerce una importante influencia positiva en la efectividad de los analistas. Finalmente, el analista no es el único factor relevante en la actividad de educción. Los clientes/usuarios (entrevistados) también juegan un rol importante en el proceso de generación de información. ABSTRACT Context: This PhD dissertation addresses requirements elicitation activity. Requirements elicitation is generally acknowledged as one of the most important activities of the requirements process, having a direct impact in the software quality. It is an activity where the communication among stakeholders (analysts, customers, users) is paramount. The analyst’s ability to effectively understand customers/users’ needs represents a critical factor for the success of software development. The literature has focused on studying and comprehending a specific set of personal skills that the analyst must have to perform requirements elicitation effectively. However, few studies have explored those skills from an empirical viewpoint. Goal: This research aims to study the effects of experience, domain knowledge and academic qualifications on the analysts’ effectiveness when performing requirements elicitation, during the first stages of analyst-customer interaction. Research method: We have conducted eight empirical studies, quasi-experiments (four) and controlled experiments (four). 110 experimental subjects participated, including: graduate students with the Escuela Técnica Superior de Ingenieros Informáticos of the Universidad Politécnica de Madrid, as well as researchers and professionals. The experimental tasks consisted in elicitation sessions about one or several problem domains (ignorant and/or aware for the subjects). Elicitation sessions were conducted using unstructured interviews. After each interview, the subjects reported in written all collected information. Results: In ignorant domains, the analyst’s experience (interviews, requirements, development and professional) does not influence her effectiveness. In aware domains, interviewing experience (r = 0.34, p-value = 0.080) and requirements experience (r = 0.22, p-value = 0.279), make a positive effect, i.e.: the analysts with more years of interviewing/requirements experience tend to achieve higher effectiveness. On the other hand, development experience (r = -0.06, p-value = 0.765) and professional experience (r = -0.35, p-value = 0.077) tend to make a null and negative effect, respectively. On what regards the analyst’s problem domain knowledge, it makes a modest positive effect (r=0.31), statistically significant (p-value = 0.029) on the effectiveness of the elicitation activity, i.e.: the analysts with tend to be more effective in problem domains they are aware of. On what regards academic qualification, due to the lack of diversity in the subjects’ academic degrees, we cannot come to a conclusion. We have been able to explore the effect of academic qualifications in two experiments; however, our results show opposed effects (r = 0.694, p-value = 0.51 y r = -0.266, p-value = 0.383). Besides the variables mentioned above, we have confirmed the existence of moderator variables influencing the elicitation activity, such as the interviewee and the training. Our data confirm that the interviewee is a key factor in the elicitation activity; it makes statistically significant effect on analysts’ effectiveness (p-value = 0.000). Interviewing one or another interviewee represents a difference in effectiveness of 18% - 23%, in natural units. On the other hand, requirements training increases to a large extent the analysts’ effectiveness. Those subjects who performed requirements elicitation after specific training tend to be 12% - 20% more effective than those who did not receive training. The effect is statistically significant (p-value = 0.000). Finally, we have observed three phenomena that could have an influence on the results of this research. First, the analysts’ effectiveness differs depending on domain element types. In aware domains, experienced analysts tend to capture more concepts than novices. In ignorant domains, processes are identified more frequently. Second, analysts get to a “glass ceiling” that prevents them to acquire more information, i.e.: analysts only identify (part of) the elements of the problem domain. This fact can be observed in both the ignorant and aware domains. Third, experience years do not look like a good predictor of how effective an analyst will be; however, they seem to guarantee that an analyst with some experience years will have a higher minimum effectiveness than the minimum effectiveness of analysts with fewer experience years. Conclusions: Our results point out that experience alone does not explain analysts’ effectiveness in ignorant domains. In aware domains, analysts’ effectiveness is influenced the experience in interviews and requirements, albeit partially. Other variables influence analysts’ effectiveness, e.g.: soft skills. The analysts’ problem domain knowledge makes a positive effect in analysts’ effectiveness; it positively interacts with the experience, increasing even further analysts’ effectiveness. Although we could not obtain solid conclusions on the effect of the academic qualifications, it is plain clear that specific requirements training makes a rather positive effect on analysts’ effectiveness. Finally, the analyst is not the only relevant factor in the elicitation activity. The customers/users (interviewees) play also an important role in the information generation process.