An Experimental Survey on Software and Hardware
Attacks on Embedded Systems

Σκούρτης, Παύλος; Skourtis, Pavlos

dc.contributor.author	Σκούρτης, Παύλος	el
dc.contributor.author	Skourtis, Pavlos	en
dc.date.accessioned	2026-09-01T07:30:57Z
dc.date.available	2026-09-01T07:30:57Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/65656
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.33350
dc.rights	Default License
dc.subject	Ασφάλεια Ενσωματωμένων Συστημάτων	el
dc.subject	Ασφαλής Εκκίνηση	el
dc.subject	Διαδίκτυο των Πραγμάτων	el
dc.subject	Εισαγωγή Σφαλμάτων	el
dc.subject	Ανάλυση Πλευρικού Καναλιού	el
dc.subject	ARM TrustZone	en
dc.subject	Embedded Systems Security	en
dc.subject	Internet of Things	en
dc.subject	Side-Channel Analysis	en
dc.subject	Fault Injection	en
dc.title	An Experimental Survey on Software and Hardware Attacks on Embedded Systems	en
dc.title	Πειραματική Έρευνα σε επιθέσεις υλικού και λογισμικού πάνω στα ενσωματωμένα συστήματα	el
dc.contributor.department	Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής & Υπολογιστών. Εργαστήριο Μικροεπεξεργαστών και Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων (MicroLab)	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	computer science	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2026-07-10
heal.abstract	Καθώς οι τεχνολογίες του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) καθίστανται πανταχού παρούσες σε όλους τους τομείς της κοινωνίας και ενσωματώνονται ολοένα και περισσότερο σε κρίσιμες υποδομές, ο κίνδυνος από κακόβουλους παράγοντες αυξάνεται εκθετικά. Απειλές που παλαιότερα περιορίζονταν σε απομακρυσμένη ψηφιακή εκμετάλλευση, πλέον εγκυμονούν άμεσο κίνδυνο για το φυσικό περιβάλλον εκτέλεσης του υλικού (hardware). Κατά συνέπεια, απαιτείται ένα νέο παράδειγμα ενσωματωμένης ασφάλειας που υπερβαίνει τα παραδοσιακά εμπόδια τα οποία βασίζονται αποκλειστικά στο λογισμικό. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρέχει μια ολοκληρωμένη χαρτογράφηση της επιφάνειας επίθεσης τόσο για την αρχιτεκτονική λογισμικού όσο και για την υλοποίηση υλικού σύγχρονων μικροελεγκτών ARM Cortex-M όπως, μεταξύ άλλων, οι NXP LPCXpresso55S69 και Silicon Laboratories EFR32MG21. Αρχικά, αξιολογείται η αναγκαιότητα αυστηρών πρακτικών ασφαλούς συγγραφής κώδικα για τη διασφάλιση ενός ασφαλούς σχεδιασμού, εξετάζοντας κοινές ευπάθειες μη ασφαλούς μνήμης. Η μελέτη καταδεικνύει τη δυνατότητα εκμετάλλευσης θεμελιωδών ελαττωμάτων της γλώσσας προγραμματισμού C για την απόκτηση πλήρους ελέγχου της ροής εκτέλεσης ενός προγράμματος (control-flow hijacking). Μέσω της πρακτικής εφαρμογής επιθέσεων υπερχείλισης ενταμιευτή (buffer overflows), καταστροφής στοίβας (stack smashing) και Προγραμματισμού που βασίζεται στην Επιστροφή (Return-Oriented Programming - ROP), αποδεικνύεται ότι ακόμη και εξελιγμένοι μικροελεγκτές μπορούν να παραβιαστούν όταν υπονομεύεται η ακεραιότητα του υποκείμενου λογισμικού. Στη συνέχεια, η εστίαση στρέφεται στην εξέταση των φυσικών ευπαθειών χρησιμοποιώντας τα εργαλεία ανάλυσης πλευρικού καναλιού (side-channel analysis) και εισαγωγής σφαλμάτων (fault injection) της πλατφόρμας ChipWhisperer. Αξιοποιώντας διαταραχές ρολογιού και τάσης (clock and voltage glitches) με απόλυτη χρονική ακρίβεια, αποδεικνύεται πώς μπορούν να παρακαμφθούν βρόχοι ελέγχου ταυτότητας, επιτρέποντας την πλήρη παράκαμψη της λογικά αναμενόμενης ροής του προγράμματος. Επιπλέον, ανακτώνται κύρια κλειδιά του Προηγμένου Προτύπου Κρυπτογράφησης (AES) μέσω Ανάλυσης Συσχέτισης Ισχύος (Correlation Power Analysis - CPA). Για την αντιμετώπιση του σημαντικού περιορισμού που θέτει η χρονική αστάθεια (temporal jitter), ένα σύνηθες αντίμετρο υλικού, εφαρμόζονται αλγόριθμοι επανασυγχρονισμού ιχνών, και συγκεκριμένα το ΄Αθροισμα Απόλυτων Διαφορών (SAD) και η Δυναμική Χρονική Στρέβλωση (DTW). Αυτές οι μέθοδοι επιτρέπουν τον συγχρονισμό αποκλινόντων ιχνών ισχύος, καθιστώντας δυνατή την επιτυχή εξαγωγή κρυπτογραφικών κλειδιών με υψηλή βεβαιότητα. Η τελική φάση αυτής της εργασίας περιλαμβάνει τη δοκιμή των μεθοδολογιών εισαγωγής σφαλμάτων έναντι σύγχρονων βιομηχανικών προτύπων προστασίας. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι, ενώ η ακριβής εισαγωγή σφαλμάτων μπορεί να παρακάμψει πολλές υπερσύγχρονες βιομηχανικές προστασίες, όπως τα όρια ασφαλείας του ARM TrustZone και τους μηχανισμούς Ασφαλούς Εκκίνησης (Secure Boot) βάσει πιστοποιητικών, η Εξειδικευμένη Μηχανή Ασφαλείας Υλικού (Hardware Secure Engine - HSE) του Silicon Labs EFR32MG21 διατηρεί την ανθεκτικότητά της απέναντι σε τέτοιες προσπάθειες. Συμπερασματικά, η παρούσα διπλωματική εργασία τεκμηριώνει ότι ούτε η απομόνωση σε επίπεδο εφαρμογής ούτε οι θεμελιώδεις πιστοποιήσεις υλικού μπορούν να εγγυηθούν από μόνες τους πλήρη «ανοσία». Αντιθέτως, τα στοιχεία συνηγορούν υπέρ μιας ολιστικής στρατηγικής «άμυνας σε βάθος», η οποία ενσωματώνει την κανονιστική συμμόρφωση, την ακεραιότητα του λογισμικού και το εξειδικευμένο υλικό που είναι ανθεκτικό σε σφάλματα.	el
heal.abstract	As Internet of Things (IoT) enabled technologies become ubiquitous across all sectors of society and increasingly integrated into critical infrastructure, the risk posed by malicious actors has increased exponentially. Threats that were previously limited to remote digital exploitation now pose a direct risk to the physical execution environment of hardware. Consequently, a new paradigm for embedded security is required that transcends traditional software-based barriers. This thesis provides a comprehensive mapping of the attack surfaces for both the software architecture and hardware implementation of modern ARM Cortex-M microcontrollers, specifically the NXP LPCXpresso55S69 and the Silicon Laboratories EFR32MG21. The research initially evaluates the necessity of rigorous coding practices to ensure secure design by examining common memory-unsafe vulnerabilities. The study demonstrates the feasibility of exploiting fundamental flaws in the C programming language to gain total control of a program’s execution flow. Through the practical application of buffer overflows, stack smashing, and Return-Oriented Programming (ROP), it is illustrated that even sophisticated microcontrollers can be compromised when the underlying software integrity is undermined. The focus subsequently shifts to the examination of physical vulnerabilities using the ChipWhisperer side-channel analysis and fault injection toolkits. By utilizing precisely timed clock and voltage glitches, the research demonstrates how authentication loops can be circumvented, allowing for the complete bypass of logically intended program flow. Furthermore, the extracted Advanced Encryption Standard (AES) master keys are recovered through Correlation Power Analysis (CPA). To address the significant limitation posed by temporal jitter—a common hardware countermeasure—this study implements trace resynchronization algorithms, specifically Sum of Absolute Differences (SAD) and Dynamic Time Warping (DTW). These methods enable the synchronization of divergent power traces, allowing for the successful extraction of cryptographic keys with high confidence. The final phase of this work involves testing these fault injection methodologies against current industry-standard protections. Findings indicate that while precise fault injection can bypass many state-of-the-art industrial protections, such as ARM TrustZone security boundaries and CertificateBased Secure Boot mechanisms, the Dedicated Hardware Secure Engine (HSE) on the Silicon Labs EFR32MG21 maintains resilience against such attempts. In summary, this thesis establishes that neither application-layer isolation nor foundational hardware certifications can independently guarantee total immunity from exploitation. Instead, the evidence advocates for a holistic, defense-in-depth strategy that integrates regulatory compliance, software integrity, and dedicated fault-resistant hardware.	en
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Ξύδης, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Λεντάρης, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών. Εργαστήριο Μικροϋπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων VLSI	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	104 σ.
heal.fullTextAvailability	false