Secure and safe virtualization-based framework for embedded systems development

Abstract

The Internet of Things (IoT) is here. Billions of smart, connected devices are proliferating at rapid pace in our key infrastructures, generating, processing and exchanging vast amounts of security-critical and privacy-sensitive data. This strong connectivity of IoT environments demands for a holistic, end-to-end security approach, addressing security and privacy risks across different abstraction levels: device, communications, cloud, and lifecycle managment. Security at the device level is being misconstrued as the addition of features in a late stage of the system development. Several software-based approaches such as microkernels, and virtualization have been used, but it is proven, per se, they fail in providing the desired security level. As a step towards the correct operation of these devices, it is imperative to extend them with new security-oriented technologies which guarantee security from the outset. This thesis aims to conceive and design a novel security and safety architecture for virtualized systems by 1) evaluating which technologies are key enablers for scalable and secure virtualization, 2) designing and implementing a fully-featured virtualization environment providing hardware isolation 3) investigating which "hard entities" can extend virtualization to guarantee the security requirements dictated by confidentiality, integrity, and availability, and 4) simplifying system configurability and integration through a design ecosystem supported by a domain-specific language. The developed artefacts demonstrate: 1) why ARM TrustZone is nowadays a reference technology for security, 2) how TrustZone can be adequately exploited for virtualization in different use-cases, 3) why the secure boot process, trusted execution environment and other hardware trust anchors are essential to establish and guarantee a complete root and chain of trust, and 4) how a domain-specific language enables easy design, integration and customization of a secure virtualized system assisted by the above mentioned building blocks.

Vivemos na era da Internet das Coisas (IoT). Biliões de dispositivos inteligentes começam a proliferar nas nossas infraestruturas chave, levando ao processamento de avolumadas quantidades de dados privados e sensíveis. Esta forte conectividade inerente ao conceito IoT necessita de uma abordagem holística, em que os riscos de privacidade e segurança são abordados nas diferentes camadas de abstração: dispositivo, comunicações, nuvem e ciclo de vida. A segurança ao nível dos dispositivos tem sido erradamente assegurada pela inclusão de funcionalidades numa fase tardia do desenvolvimento. Têm sido utilizadas diversas abordagens de software, incluindo a virtualização, mas está provado que estas não conseguem garantir o nível de segurança desejado. De forma a garantir a correta operação dos dispositivos, é fundamental complementar os mesmos com novas tecnologias que promovem a segurança desde os primeiros estágios de desenvolvimento. Esta tese propõe, assim, o desenvolvimento de uma solução arquitetural inovadora para sistemas virtualizados seguros, contemplando 1) a avaliação de tecnologias chave que promovam tal realização, 2) a implementação de uma solução de virtualização garantindo isolamento por hardware, 3) a identificação de componentes que integrados permitirão complementar a virtualização para garantir os requisitos de segurança, e 4) a simplificação do processo de configuração e integração da solução através de um ecossistema suportado por uma linguagem de domínio específico. Os artefactos desenvolvidos demonstram: 1) o porquê da tecnologia ARM TrustZone ser uma tecnologia de referência para a segurança, 2) a efetividade desta tecnologia quando utilizada em diferentes domínios, 3) o porquê do processo seguro de inicialização, juntamente com um ambiente de execução seguro e outros componentes de hardware, serem essenciais para estabelecer uma cadeia de confiança, e 4) a viabilidade em utilizar uma linguagem de um domínio específico para configurar e integrar um ambiente virtualizado suportado pelos artefactos supramencionados.