[論文レビュー] COMA: Communication and Obfuscation Management Architecture

Kimia Zamiri Azar, Farnoud Farahmand+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security被引用数 20

ひとこと要約

COMA は、信頼できないファウンドリーで製造された obfuscated IC における安全な鍵管理および通信のための新しいアーキテクチャを提案する。鍵のオンチップ保存を排除し、PUFに基づく動的鍵を採用し、2 種類のハイブリッド暗号化モード（DCC はセキュリティを、LCC はパフォーマンスを最適化）を導入することで、FORTIS よりも 14% の面積オーバーヘッドを削減しながら、IoT や 2.5D システム向けに一意のチップ認証およびアクティベーション・アズ・サービスを実現する。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a novel Communication and Obfuscation Management Architecture (COMA) to handle the storage of the obfuscation key and to secure the communication to/from untrusted yet obfuscated circuits. COMA addresses three challenges related to the obfuscated circuits: First, it removes the need for the storage of the obfuscation unlock key at the untrusted chip. Second, it implements a mechanism by which the key sent for unlocking an obfuscated circuit changes after each activation (even for the same device), transforming the key into a dynamically changing license. Third, it protects the communication to/from the COMA protected device and additionally introduces two novel mechanisms for the exchange of data to/from COMA protected architectures: (1) a highly secure but slow double encryption, which is used for exchange of key and sensitive data (2) a high-performance and low-energy yet leaky encryption, secured by means of frequent key renewal. We demonstrate that compared to state-of-the-art key management architectures, COMA reduces the area overhead by 14%, while allowing additional features including unique chip authentication, enabling activation as a service (for IoT devices), reducing the side channel threats on key management architecture, and providing two new means of secure communication to/from an untrusted chip.

研究の動機と目的

• 信頼できないファウンドリーで製造された obfuscated IC における鍵漏洩という深刻なセキュリティ課題に取り組む。
• サイドチャネル攻撃や物理的攻撃を防ぐために、不正なチップに鍵のアンロック鍵を格納する必要を排除する。
• 使用毎に変化する一時的なアクティベーション鍵を提供し、再生攻撃やブルートフォース攻撃に対して鍵を「動く標的」とする。
• 2 つの異なる暗号モード（高セキュリティの二重暗号化 DCC と、高スループット・低消費電力の漏れやすい暗号化 LCC）を用いて、信頼できないチップと間の通信チャネルを保護する。
• IoT や 2.5D 集積システム向けに、一意のデバイス識別およびアクティベーション・アズ・サービスをサポートし、信頼性とスケーラビリティを向上させる。

提案手法

• 各チップごとに一意で予測不能な秘密鍵を生成するため、PUF（物理的にクローン不能な関数）を採用し、ハードコードされた秘密鍵の必要性を排除する。
• TRNG（真の乱数生成装置）を用いて PRNG（擬似乱数生成装置）をシードし、予測不能性を保証する動的セッション鍵を生成する。
• 2 つの安全な通信モードを実装する：DCC（二重暗号化通信）は高セキュリティの鍵およびデータ交換に、LCC（低通信コスト）は高スループット・低消費電力のデータ転送に使用する。
• PUF 応答の安全な読み出しを実現するため、公開鍵暗号方式を導入し、ソフトウェアベースの鍵抽出攻撃を防止する。
• 2 つの展開モデルをサポートするアーキテクチャを設計する：R-COMA（外部に鍵を格納するリモートアクティベーション）と 2.5D-COMA（鍵管理のための信頼できるチップインパッケージ）。
• サイドチャネル攻撃（SCA）の耐性強化のため、秘密鍵暗号化処理を保護された短時間の操作に限定し、公開鍵暗号化はセッションごとに一度だけ使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できないチップに鍵を格納せずに、どのように obfuscation アンロック鍵を安全に管理できるか？
• RQ2 同じデバイスであっても、アクティベーションごとに一意で変化するアクティベーション鍵を保証するメカニズムは何か？
• RQ3 信頼できないチップと鍵管理システム間の通信を、盗聴や改ざんからどのように保護できるか？
• RQ4 鍵管理アーキテクチャにおいて、二重モード暗号化（DCC と LCC）を用いる場合のパフォーマンスと面積のトレードオフは何か？
• RQ5 COMA は、FORTIS ら既存のソリューションに比べて、セキュリティ、スケーラビリティ、およびサイドチャネル攻撃・フォールト攻撃に対する耐性でどのように向上しているか？

主な発見

• COMA は FORTIS よりも 14% の面積オーバーヘッドを削減し、軽量版の COMA2 はわずか 8.7K ゲートで、Virtex-7 などの大規模ベンチマークで 0.43% の面積オーバーヘッドを達成する。
• DCC モードは二重暗号化と AEAD を通じて極めて高いセキュリティを提供するが、初期化段階での AEAD および PRNG 操作により、エネルギー消費が高くなる。
• LCC モードは初期化後、メッセージ交換のエネルギー消費が著しく低く抑えられ、AEAD や PRNG 依存度の低さから、DCC よりも成長率がはるかに遅い。
• COMA は PUF を用いた鍵生成により、一意のチップ認証を実現し、FORTIS に見られる鍵の複製やソフトウェアベースの鍵偽造のリスクを排除する。
• COMA はサイドチャネル攻撃およびフォールト攻撃に対して耐性がある：秘密鍵は再利用されず、PUF の健全性チェックにより、PUF が決定的関数に置き換えられる試みを検出可能である。
• COMA は、恒久的な鍵格納なしにリモートでオンデマンドで鍵を配信できる仕組みにより、IoT や 2.5D システム向けにアクティベーション・アズ・サービスを実現し、セキュリティと運用の柔軟性を向上させる。