Enhanced laser fault injection using hybrid cost-effective decapsulation

Abstract

Gelişen saldırı teknikleri ile birlikte donanım güvenliği, bilgi güvenliği alanında kritik bir öneme sahip hale gelmiştir. Bu tez çalışmasında, lazer hata enjeksiyonu (LFI – Laser Fault Injection) saldırılarının daha etkin ve ekonomik bir biçimde uygulanabilmesi için maliyet etkin bir dekapsülasyon yöntemi ve operatör bağımlılığını minimize edecek bir otomasyon yazılımı geliştirilmiştir. Geliştirilen hibrit dekapsülasyon yöntemi, mekanik frezeleme ve kimyasal aşındırmayı birleştirerek entegre devrelerin yüzeyinin hasar görmeden açığa çıkarılmasını sağlamaktadır. Bu süreç, ATmega328P mikrodenetleyici çipleri üzerinde denenmiş ve çipin işlevselliğini bozmadan dekapsülasyonun tamamlanabildiği gösterilmiştir. Dekapsülasyon sonrası, çipin AES şifreleme algoritması çalıştırdığı esnada lazer hatası enjekte edilerek şifreli çıktının değiştirildiği başarılı LFI saldırıları gerçekleştirilmiştir. Bu saldırılarla, lazer darbelerinin çip üzerindeki hassas bölgelere yönlendirilmesi sonucunda şifreli verilerin hatalı çıktığı gözlemlenmiş ve lazer enjeksiyonu için uygun hedef bölgeler belirlenmiştir. Ayrıca, süreci otomatikleştiren yazılım ile lazerin tetiklenmesi, veri analizi ve saldırı sonuçlarının değerlendirilmesi gerçekleştirilerek operatör kaynaklı hatalar azaltılmıştır. Çalışma kapsamında geliştirilen yöntemler, yalnızca deneysel doğrulamalarla sınırlı kalmayıp, mikroelektronik güvenlik testlerinde kullanılabilecek maliyet etkin, tekrar edilebilir ve güvenilir bir yaklaşım ortaya koymaktadır. Elde edilen sonuçlar, özellikle kriptografik uygulamalarda kullanılan gömülü sistemlerin güvenliğinin değerlendirilmesinde, LFI saldırılarının etkinliğini artıracak yeni nesil çözümler sunmaktadır. Bu yönü ile tez çalışması hem akademik literatüre katkı sağlamakta hem de endüstriyel uygulamalara yönelik pratik çözümler üretmektedir.In the evolving landscape of information security, the escalating sophistication of attack techniques has underscored the paramount importance of hardware security. This thesis proposes a cost-effective decapsulation method and automation software to minimise operator dependency, with the aim of implementing laser fault injection (LFI) attacks more effectively and economically. The hybrid decapsulation method combines mechanical milling and chemical etching to expose the surface of integrated circuits without causing any damage to them. The validity of this approach was demonstrated through experimental trials conducted on ATmega328P microcontroller chips, which revealed that decapsulation can be accomplished without compromising the chip's functionality. Following the decapsulation process, a series of successful LFI attacks were executed, resulting in the modification of the encrypted output by means of a laser fault injection technique during the chip's execution of the AES encryption algorithm. In these attacks, laser pulses were directed to sensitive areas on the chip, resulting in incorrect encrypted data output. Target areas for laser injection were identified, and it was found that these were suitable. Furthermore, operator errors were reduced by automating the laser triggering, data analysis and evaluation of the attack results with software that automates the process. The methods developed within the scope of the study are not limited to experimental verifications, but provide a cost-effective, repeatable and reliable approach that can be used in microelectronic security tests. The results obtained provide new generation solutions that will increase the effectiveness of LFI attacks, especially in evaluating the security of embedded systems used in cryptographic applications. In this respect, the present thesis contributes to the academic literature and provides practical solutions for industrial applications.