Analysis of (Multi-)Fault Injection(s) causing memory leaks on modern RISC-V Microcontrollers

Abstract

Embedded Systems verwenden häufig einen Mikrocontroller als zentrale Steuerkomponente, dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um sicherheitsfokussierte oder normale Systeme handelt. Die verwendeten Mikrocontroller basieren auf einer Vielzahl verschiedener Architekturen, dennoch fokussiert sich der Großteil der „Fault Injection“ Forschung auf ARM- oder AVR-Architekturen. Die Reduced Instruction Set Computer V (RISC-V) Architektur findet immer mehr Verwendung in neuen Mikrocontrollern, dies hat zur Folge, dass auch die Forschung in Bezug auf RISC-V zunimmt. Diese Arbeit hat das Ziel, die Erkenntnisse der aktuellen Forschung, in Bezug auf das Verhalten von RISC-V-basierten Mikrocontrollern gegenüber Voltage Fault Injections (VFIs), zu erweitern. Demzufolge wird in dieser Thesis ein Fault Injection Board (FIB), basierend auf etablierten Designs, anfertigt und adaptiert, um eine kostengünstige, „All-in-one“ Lösung zu erstellen. Dieses Board wird verwendet, um „Fault Injection“ Angriffe gegen die „strcpy“ Funktion durchzuführen. Ziel dieser Experimente ist, Speicherverletzungen auszulösen und somit Daten zu extrahieren. In der nachfolgenden Analyse werden die experimentellen Ergebnisse interpretieret, um die gefundenen Resultate nachzuvollziehen und interne und externe Einflussfaktoren, wie sind Speicherort und Temperatur, zu diskutieren. Weiters werden multiple VFIs getestet, um den Nutzen dieser, im Vergleich zu einer Single VFI, zu erfassen. Abschließend werden die Resultate den Ergebnissen der aktuellen Forschung gegenübergestellt.

Embedded systems commonly use microcontrollers (MCs) as an integral part, evensecurity-focused devices. MCs are built on various architectures, yet most fault injectionresearch focuses on AVR- and ARM-based MCs. Nonetheless, the Reduced InstructionSet Computer V (RISC-V) architecture is rising in popularity, and so is its research.Supra, this thesis aims to provide supplementary knowledge regarding the behaviour ofRISC-V-based MCs when exposed to Voltage Fault Injections (VFIs). Hereby, a FaultInjection Board (FIB) is developed based on established designs, amending these toprovide a small, budget-friendly, all-in-one solution. The FIB is used to conduct faultinjection experiments targeting the strcpy function; the objective is to cause memoryleaks. Subsequently, the evaluation analyses the experimental outcomes to comprehendthe results and pinpoint internal and external influencing factors like storage locationor temperature. Besides, the usefulness of multiple VFIs is assessed. Ultimately, thelearnings are juxtaposed to prevailing research.