Securing implementations of feedback-shift-register-based ciphers using compiler optimizations and co-processors

Los algoritmos basados en registros de desplazamiento con realimentación (en inglés FSR) se han utilizado como generadores de flujos pseudoaleatorios en aplicaciones con recursos limitados como los sistemas de apertura sin llave. Se considera canal primario a aquel que se utiliza para realizar una transmisión de información. La aparición de los ataques de canal auxiliar (en inglés SCA), que explotan información filtrada inintencionadamente a través de canales laterales como el consumo, las emisiones electromagnéticas o el tiempo empleado, supone una grave amenaza para estas aplicaciones, dado que los dispositivos son accesibles por un atacante. El objetivo de esta tesis es proporcionar un conjunto de protecciones que se puedan aplicar de forma automática y que utilicen recursos ya disponibles, evitando un incremento sustancial en los costes y alargando la vida útil de aplicaciones que puedan estar desplegadas. Explotamos el paralelismo existente en algoritmos FSR, ya que sólo hay 1 bit de diferencia entre estados de rondas consecutivas. Realizamos aportaciones en tres niveles: a nivel de sistema, utilizando un coprocesador reconfigurable, a través del compilador y a nivel de bit, aprovechando los recursos disponibles en el procesador. Proponemos un marco de trabajo que nos permite evaluar implementaciones de un algoritmo incluyendo los efectos introducidos por el compilador considerando que el atacante es experto. En el campo de los ataques, hemos propuesto un nuevo ataque diferencial que se adapta mejor a las condiciones de las implementaciones software de FSR, en las que el consumo entre rondas es muy similar. SORU2 es un co-procesador vectorial reconfigurable propuesto para reducir el consumo energético en aplicaciones con paralelismo y basadas en el uso de bucles. Proponemos el uso de SORU2, además, para ejecutar algoritmos basados en FSR de forma segura. Al ser reconfigurable, no supone un sobrecoste en recursos, ya que no está dedicado en exclusiva al algoritmo de cifrado. Proponemos una configuración que ejecuta múltiples algoritmos de cifrado similares de forma simultánea, con distintas implementaciones y claves. A partir de una implementación sin protecciones, que demostramos que es completamente vulnerable ante SCA, obtenemos una implementación segura a los ataques que hemos realizado. A nivel de compilador, proponemos un mecanismo para evaluar los efectos de las secuencias de optimización del compilador sobre una implementación. El número de posibles secuencias de optimizaciones de compilador es extremadamente alto. El marco de trabajo propuesto incluye un algoritmo para la selección de las secuencias de optimización a considerar. Debido a que las optimizaciones del compilador transforman las implementaciones, se pueden generar automáticamente implementaciones diferentes combinamos para incrementar la seguridad ante SCA. Proponemos 2 mecanismos de aplicación de estas contramedidas, que aumentan la seguridad de la implementación original sin poder considerarse seguras. Finalmente hemos propuesto la ejecución paralela a nivel de bit del algoritmo en un procesador. Utilizamos la forma algebraica normal del algoritmo, que automáticamente se paraleliza. La implementación sobre el algoritmo evaluado mejora en rendimiento y evita que se filtre información por una ejecución dependiente de datos. Sin embargo, es más vulnerable ante ataques diferenciales que la implementación original. Proponemos una modificación del algoritmo para obtener una implementación segura, descartando parcialmente ejecuciones del algoritmo, de forma aleatoria. Esta implementación no introduce una sobrecarga en rendimiento comparada con las implementaciones originales. En definitiva, hemos propuesto varios mecanismos originales a distintos niveles para introducir aleatoridad en implementaciones de algoritmos FSR sin incrementar sustancialmente los recursos necesarios. ABSTRACT Feedback Shift Registers (FSR) have been traditionally used to implement pseudorandom sequence generators. These generators are used in Stream ciphers in systems with tight resource constraints, such as Remote Keyless Entry. When communicating electronic devices, the primary channel is the one used to transmit the information. Side-Channel Attack (SCA) use additional information leaking from the actual implementation, including power consumption, electromagnetic emissions or timing information. Side-Channel Attacks (SCA) are a serious threat to FSR-based applications, as an attacker usually has physical access to the devices. The main objective of this Ph.D. thesis is to provide a set of countermeasures that can be applied automatically using the available resources, avoiding a significant cost overhead and extending the useful life of deployed systems. If possible, we propose to take advantage of the inherent parallelism of FSR-based algorithms, as the state of a FSR differs from previous values only in 1-bit. We have contributed in three different levels: architecture (using a reconfigurable co-processor), using compiler optimizations, and at bit level, making the most of the resources available at the processor. We have developed a framework to evaluate implementations of an algorithm including the effects introduced by the compiler. We consider the presence of an expert attacker with great knowledge on the application and the device. Regarding SCA, we have presented a new differential SCA that performs better than traditional SCA on software FSR-based algorithms, where the leaked values are similar between rounds. SORU2 is a reconfigurable vector co-processor. It has been developed to reduce energy consumption in loop-based applications with parallelism. In addition, we propose its use for secure implementations of FSR-based algorithms. The cost overhead is discarded as the co-processor is not exclusively dedicated to the encryption algorithm. We present a co-processor configuration that executes multiple simultaneous encryptions, using different implementations and keys. From a basic implementation, which is proved to be vulnerable to SCA, we obtain an implementation where the SCA applied were unsuccessful. At compiler level, we use the framework to evaluate the effect of sequences of compiler optimization passes on a software implementation. There are many optimization passes available. The optimization sequences are combinations of the available passes. The amount of sequences is extremely high. The framework includes an algorithm for the selection of interesting sequences that require detailed evaluation. As existing compiler optimizations transform the software implementation, using different optimization sequences we can automatically generate different implementations. We propose to randomly switch between the generated implementations to increase the resistance against SCA.We propose two countermeasures. The results show that, although they increase the resistance against SCA, the resulting implementations are not secure. At bit level, we propose to exploit bit level parallelism of FSR-based implementations using pseudo bitslice implementation in a wireless node processor. The bitslice implementation is automatically obtained from the Algebraic Normal Form of the algorithm. The results show a performance improvement, avoiding timing information leakage, but increasing the vulnerability against differential SCA.We provide a secure version of the algorithm by randomly discarding part of the data obtained. The overhead in performance is negligible when compared to the original implementations. To summarize, we have proposed a set of original countermeasures at different levels that introduce randomness in FSR-based algorithms avoiding a heavy overhead on the resources required.

Vector Boolean Functions: Applications in Symmetric Cryptography

Esta tesis establece los fundamentos teóricos y diseña una colección abierta de clases C++ denominada VBF (Vector Boolean Functions) para analizar funciones booleanas vectoriales (funciones que asocian un vector booleano a otro vector booleano) desde una perspectiva criptográfica. Esta nueva implementación emplea la librería NTL de Victor Shoup, incorporando nuevos módulos que complementan a las funciones de NTL, adecuándolas para el análisis criptográfico. La clase fundamental que representa una función booleana vectorial se puede inicializar de manera muy flexible mediante diferentes estructuras de datas tales como la Tabla de verdad, la Representación de traza y la Forma algebraica normal entre otras. De esta manera VBF permite evaluar los criterios criptográficos más relevantes de los algoritmos de cifra en bloque y de stream, así como funciones hash: por ejemplo, proporciona la no-linealidad, la distancia lineal, el grado algebraico, las estructuras lineales, la distribución de frecuencias de los valores absolutos del espectro Walsh o del espectro de autocorrelación, entre otros criterios. Adicionalmente, VBF puede llevar a cabo operaciones entre funciones booleanas vectoriales tales como la comprobación de igualdad, la composición, la inversión, la suma, la suma directa, el bricklayering (aplicación paralela de funciones booleanas vectoriales como la empleada en el algoritmo de cifra Rijndael), y la adición de funciones coordenada. La tesis también muestra el empleo de la librería VBF en dos aplicaciones prácticas. Por un lado, se han analizado las características más relevantes de los sistemas de cifra en bloque. Por otro lado, combinando VBF con algoritmos de optimización, se han diseñado funciones booleanas cuyas propiedades criptográficas son las mejores conocidas hasta la fecha. ABSTRACT This thesis develops the theoretical foundations and designs an open collection of C++ classes, called VBF, designed for analyzing vector Boolean functions (functions that map a Boolean vector to another Boolean vector) from a cryptographic perspective. This new implementation uses the NTL library from Victor Shoup, adding new modules which complement the existing ones making VBF better suited for cryptography. The fundamental class representing a vector Boolean function can be initialized in a flexible way via several alternative types of data structures such as Truth Table, Trace Representation, Algebraic Normal Form (ANF) among others. This way, VBF allows the evaluation of the most relevant cryptographic criteria for block and stream ciphers as well as for hash functions: for instance, it provides the nonlinearity, the linearity distance, the algebraic degree, the linear structures, the frequency distribution of the absolute values of the Walsh Spectrum or the Autocorrelation Spectrum, among others. In addition, VBF can perform operations such as equality testing, composition, inversion, sum, direct sum, bricklayering (parallel application of vector Boolean functions as employed in Rijndael cipher), and adding coordinate functions of two vector Boolean functions. This thesis also illustrates the use of VBF in two practical applications. On the one hand, the most relevant properties of the existing block ciphers have been analysed. On the other hand, by combining VBF with optimization algorithms, new Boolean functions have been designed which have the best known cryptographic properties up-to-date.

STONE: a stream-based DDoS defense framework

An effective Distributed Denial of Service (DDoS) defense mechanism must guarantee legitimate users access to an Internet service masking the effects of possible attacks. That is, it must be able to detect threats and discard malicious packets in a online fashion. Given that emerging data streaming technology can enable such mitigation in an effective manner, in this paper we present STONE, a stream-based DDoS defense framework, which integrates anomaly-based DDoS detection and mitigation with scalable data streaming technology. With STONE, the traffic of potential targets is analyzed via continuous data streaming queries maintaining information used for both attack detection and mitigation. STONE provides minimal degradation of legitimate users traffic during DDoS attacks and it also faces effectively flash crowds. Our preliminary evaluation based on an implemented prototype and conducted with real legitimate and malicious traffic traces shows that STONE is able to provide fast detection and precise mitigation of DDoS attacks leveraging scalable data streaming technology.