[論文レビュー] Insights into the Mind of a Trojan Designer: The Challenge to Integrate a Trojan into the Bitstream

Maik Ender, Pawel Swierczynski+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 16被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、AESコア内の鍵ベースのシフトレジスタを操作することで、FPGAビットストリームに隠し込まれたハードウェアトロイの挿入を可能にする新規手法を提示している。このトロイは自己テストを回避し、固定でバックドア化された鍵でデータを暗号化できる。攻撃は逆方向のビットストリーム解析とLUTを用いたハードウェアの難読化を活用しており、部分的なビットストリームの暴露が、効果的で検出不能な侵害を可能にすることを示している。

ABSTRACT

The threat of inserting hardware Trojans during the design, production, or in-field poses a danger for integrated circuits in real-world applications. A particular critical case of hardware Trojans is the malicious manipulation of third-party FPGA configurations. In addition to attack vectors during the design process, FPGAs can be infiltrated in a non-invasive manner after shipment through alterations of the bitstream. First, we present an improved methodology for bitstream file format reversing. Second, we introduce a novel idea for Trojan insertion.

研究の動機と目的

• 完全な設計アクセスなしにFPGAビットストリームにハードウェアトロイを挿入する可能性を調査すること。
• 鍵レジスタのような重要なハードウェアコンponentsを特定するためのビットストリーム逆解析技術を改善すること。
• 部分的なビットストリームの暴露が、効果的で隠し込まれたハードウェアトロイの実装を可能にすることを実証すること。
• 自己保護された暗号モジュールにおけるこのような攻撃の影響を調査すること。
• ビットストリームレベルでのハードウェア改ざんに対するより強固な防御メカニズムの必要性を強調すること。

提案手法

• 著者たちは、簡略化されたルーティング抽出法を用いてFPGAビットストリームを逆解析し、AESコア内の鍵レジスタを特定することに注力した。
• 既知の平文/暗号文ペアをシミュレートし、出力の変化を相関させることで、シフトレジスタを特定の鍵ビット位置にマッピングした。
• トロイは、フリップフロップへの鍵入力をフリップフロップから分離し、固定鍵値を出力するプログラマブルLUTに置き換えることで挿入された。
• 128個の鍵ビットのそれぞれが、バックドア化された鍵に従って0または1を出力する専用のLUTによって制御された。
• ペイロードはRS232インターフェースを介してアクティブ化され、設定中に攻撃者がバックドア化された鍵を設定できる。
• 自己テスト中は検出されない。なぜなら、検証されるのは1つの固定鍵のみであり、ユーザーのデータはバックドア化された鍵で暗号化されるからである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的なビットストリームの逆解析のみを用いて、FPGAビットストリームに効果的なハードウェアトロイを挿入できるか？
• RQ2 鍵ベースのシフトレジスタは、暗号コアに隠し込まれたバックドアを生成するためにどの程度活用可能か？
• RQ3 標的的なビットストリーム改ざんによって、自己保護されたAESコアの自己テストメカニズムを回避することは可能か？
• RQ4 LUTを用いたビットストリームレベルの難読化は、隠し込みと機能の両方を維持するためにどの程度効果的か？
• RQ5 部分的なビットストリームの暴露が、ハードウェアセキュリティに及ぼす実用的影響は何か？

主な発見

• 著者たちは、シミュレーションと既知の平文/暗号文ペアを用いることで、高精度にAES鍵ビットを処理するレジスタをビットストリームから逆解析した。
• トロイは、フリップフロップへの鍵入力信号を再配置可能なLUTに置き換えることで実装され、バックドア化された鍵に対する完全な制御が可能になった。
• 自己テスト中は検出されない。なぜなら、検証されるのは1つの固定鍵のみであり、ユーザーのデータはバックドア化された鍵で暗号化されるからである。
• この手法は部分的なビットストリームアクセスのみを必要とし、完全な設計知識に依存しない。これにより、攻撃の表面積が著しく小さくなった。
• 本研究は、複雑な暗号モジュールに対しても、ビットストリームの逆解析が以前に想定されていたよりも容易に実現可能であることを示した。
• 結果は、自己保護された暗号コアが標的的なビットストリーム改ざんに対して極めて脆弱であることを強調し、改善された難読化および検証技術の必要性を示唆している。