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@ -16,25 +16,24 @@
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Nischenanwendungen wie z.B.\ der Zertifikatsausstellung im Transport Layer Security (TLS)-System sowie der
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Zahlungsdatenverarbeitung eingesetzt.
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In dieser Dissertation führt Jan Sebastian Götte das Inertiale Hardware-Sicherheitsmodul (IHSM) ein. Das IHSM ist
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eine neue Architektur für Hardware-Sicherheitsmodule, die einen hoch sicheren, aktiven Manipulationsschutz
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bereitstellt. Gleichzeitig können mithilfe der IHSM-Technologie kryptographische Rechnersysteme von wesentlich
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größeren Abmessungen, Gewicht und elektrischer Leistungsaufnahme geschützt werden, als das in konventionellen HSMs
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möglich ist. IHSMs ersetzen die kostenintensiven und in der Herstellung aufwendigen Meshes
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In dieser Dissertation wird das Inertiale Hardware-Sicherheitsmodul (IHSM), eine neue Architektur für
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Hardware-Sicherheitsmodule vorgestellt. IHSMs stellen einen hoch sicheren, aktiven Manipulationsschutz bereit.
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Gleichzeitig können mithilfe der IHSM-Technologie kryptographische Rechnersysteme von wesentlich größeren
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Abmessungen, Gewicht und elektrischer Leistungsaufnahme geschützt werden, als es in konventionellen HSMs möglich
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ist. IHSMs ersetzen die kostenintensiven und in der Herstellung aufwendigen Meshes
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(Manipulationserkennungsmembranen) konventioneller HSMs durch eine Konstruktion, in der Meshes aus einfachen
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Platinen aufgebaut werden, die bei einer hohen Geschwindigkeit um das geschützte Rechnersystem rotieren. Die
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Rotation dieser Meshes verhindert eine unerkannte Manipulation. IHSMs erreichen so mithilfe wensentlich einfacherer
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und kostengünstiger Konstruktionstechniken ein Sicherheitsniveau, das dem konventioneller
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Manipulationsschutzmembranen gleicht, die in spezialisierten Herstellungsprozessen gefertigt werden. In der
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Dissertation werden die Ergebnisse einer Übersichtsstudie vorgestellt, die etwa 30 echte Implementierungen socher
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Meshes untersucht. In der Studie werden Kriterien für die Entwicklung sicherer Meshes abgeleitet, anhand derer das
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IHSM-Konzept kontextualisiert wird. Um die Notwendigkeit sicherer Hardware zu erörtern, wird in dieser Dissertation
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darüber hinaus eine Analyse einiger problematischer Aspekte des Hardwaresicherheitskonzeptes der Deutschen
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elektronischen Patientenakte vorgestellt.
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Platinen aufgebaut werden. Diese Meshes rotieren schnell um das geschützte Rechnersystem, was eine unerkannte
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Manipulation verhindert. IHSMs erreichen so mithilfe wensentlich einfacherer und kostengünstiger
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Konstruktionstechniken ein Sicherheitsniveau, das dem konventioneller Manipulationsschutzmembranen gleicht, die in
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spezialisierten Herstellungsprozessen gefertigt werden. In der Dissertation werden die Ergebnisse einer
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Übersichtsstudie vorgestellt, die etwa 30 echte Implementierungen socher Meshes untersucht. In der Studie werden
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Kriterien für die Entwicklung sicherer Meshes abgeleitet, anhand derer das IHSM-Konzept kontextualisiert wird. Um
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die Notwendigkeit sicherer Hardware zu erörtern, wird in dieser Dissertation darüber hinaus eine Analyse einiger
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problematischer Aspekte des Hardwaresicherheitskonzeptes der Deutschen elektronischen Patientenakte vorgestellt.
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Um den Weg für zukünftige, praktische Implementierungen der IHSM-Technologie zu bereiten stellt Jan Sebastian Götte
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Lösungen für wichtige Schlüsselprobleme der Konstruktion von IHSMs vor. Diese Lösungen umfassen ein neues Konzept
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für rotationssymmetrische Planarspulen für die drahtlose Energieübertragung an rotierende Empfänger, sowie ein
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Um den Weg für zukünftige, praktische Implementierungen der IHSM-Technologie zu bereiten, werden weiterhin Lösungen
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für wichtige Schlüsselprobleme der Konstruktion von IHSMs vorgestellt. Diese Lösungen umfassen ein neues Konzept für
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rotationssymmetrische Planarspulen für die drahtlose Energieübertragung an rotierende Empfänger, sowie ein
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hochpräzises und dennoch kostengünstiges Überwachungssystem für Meshes. Dieses Überwachungssystem beruht auf dem
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Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie und erkennt selbst fortgeschrittene Angriffstechniken zuverlässig. In
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praktischen Versuchen zeigte sich, dass das System ausreichend empfindlich ist, um mehrere identische Kopien
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abstract.tex
23
abstract.tex
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@ -11,12 +11,12 @@ guarantees. While effective, system-level tamper protection is only used in few
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Modules (HSMs) and card payment terminals. Due to the high cost and low performance of HSMs in particular, they remain
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relegated to niche applications such as Transport Layer Security (TLS) certificate issuance and payment data processing.
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In this thesis, Jan Sebastian Götte introduces the Inertial Hardware Security Module (IHSM), a new architecture for
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low-cost hardware security modules that provide high-level active tamper protection, while supporting computing payloads
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of much larger size, weight and power dissipation compared to conventional HSMs. In an IHSM, the costly and difficult to
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source tamper-sensing mesh of a conventional HSM is replaced by a mesh made from simple PCBs that is rotating at high
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speed around the payload. Since the mesh is rotating, it cannot be manipulated, and the security of conventional meshes
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created in bespoke manufacturing processes can be achieved using much simpler and less expensive construction
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In this thesis, we introduce the Inertial Hardware Security Module (IHSM), a new architecture for low-cost hardware
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security modules that provide high-level active tamper protection, while supporting computing payloads of much larger
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size, weight and power dissipation compared to conventional HSMs. In an IHSM, the costly and difficult to source
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tamper-sensing mesh of a conventional HSM is replaced by a mesh made from simple PCBs that is rotating at high speed
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around the payload. Since the mesh is rotating at high speed, it cannot be manipulated, and the security of conventional
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meshes created in bespoke manufacturing processes can be achieved using much simpler and less expensive construction
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techniques. We present the results of a survey of approximately 30 real world tamper sensing mesh implementations. We
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deduce design criteria for secure meshes and contextualize our design. We further motivate the necessity of secure
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hardware by presenting an analysis of problematic aspects in the hardware security design of Germany's new national
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@ -24,12 +24,11 @@ electronic health record system.
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To pave the way for practical implementations of IHSM technology, we present solutions to key engineering challenges in
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IHSM construction. We present a design and analysis of highly symmetric planar inductors for rotating wireless power
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transfer.
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% FIXME improvement in numbers
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We present a high-fidelity, low-cost monitoring system for security meshes that is based on the principles of
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Time-Domain Reflectometry (TDR). We validate our system and find that it is able to reliably detect several classes of
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advanced physical attacks. We find that our system is sensitive enough to detect differences between identical copies of
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the same mesh, suggesting PUF-like properties.
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transfer that improves self-resonant frequency by up to \qty{58}{\percent} and inductance by up to \qty{6.5}{\percent}
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in our tests. We present a high-fidelity, low-cost monitoring system for security meshes that is based on the principles
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of Time-Domain Reflectometry (TDR), reaching \qty{184}{\pico\second} time resolution. We validate our system and find
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that it is able to reliably detect several classes of advanced physical attacks. We find that our system is sensitive
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enough to detect differences between identical copies of the same mesh, suggesting PUF-like properties.
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Applying IHSM technology, we analyse two use cases that are unlocked by the increased size and power dissipation
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capability of IHSMs. In the first analysis, an IHSM-secured relay node for Quantum Key Distribution (QKD) systems is
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