[論文レビュー] Modeling Attack Resilient Reconfigurable Latent Obfuscation Technique for PUF based Lightweight Authentication

Yansong Gao, Said F. Al-Sarawi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 24被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、再構成可能な隠しパターンベクトルを用いて一時的パッドとして機能させる、PUFに基づく軽量認証のための再構成可能ラティント・オブスクリュエーション技術OB-PUFを提案する。この手法により、挑戦-応答関係を動的に再構成することで、強力なCMA-ESモデル化攻撃に対する耐性が向上する。挑戦と応答の両方の関係が隠蔽され、セキュリティを損なわずに無限の認証ラウンドが可能となる。広範な評価を通じて、最先端のモデル化攻撃に対して強く耐性を持つことが示された。

ABSTRACT

Physical unclonable functions (PUFs), as hardware security primitives, exploit manufacturing randomness to extract hardware instance-specific secrets. One of most popular structures is time-delay based Arbiter PUF attributing to large number of challenge response pairs (CRPs) yielded and its compact realization. However, modeling building attacks threaten most variants of APUFs that are usually employed for strong PUF-oriented application---lightweight authentication---without reliance on the securely stored digital secrets based standard cryptographic protocols. In this paper, we investigate a reconfigurable latent obfuscation technique endowed PUF construction, coined as OB-PUF, to maintain the security of elementary PUF CRPs enabled authentication where a CRP is never used more than once. The obfuscation---determined by said random patterns---conceals and distorts the relationship between challenge-response pairs capable of thwarting a model building adversary needing to know the exact relationship between challenges and responses. A bit further, the obfuscation is hidden and reconfigured on demand, in other words, the patterns are not only invisible but also act as one-time pads that are only employed once per authentication around and then discarded. As a consequence, the OB-PUF demonstrates significant resistance to the recent revealed powerful Evaluation Strategy (ES) based modeling attacks where the direct relationship between challenge and response is even not a must. The OB-PUF's uniqueness and reliability metrics are also systematically studied followed by formal authentication capability evaluations.

研究の動機と目的

• 軽量認証システムにおける高度なモデル化攻撃、特にCMA-ESに対して脆弱な従来のPUFの課題を解決すること。
• [12]など先行研究が要請する認証ラウンドの制限を排除しつつ、高いセキュリティを維持すること。
• 動的かつワンタイムのオブスクリュエーションパターンを用いて、真の挑戦-応答関係を隠蔽するPUF構成を設計すること。
• OB-PUFが、ハミング重みと応答信頼性に基づく最も強力な既知のモデル化攻撃に対してどれほど耐性を持つのかを評価すること。

提案手法

• OB-PUFは、挑戦と応答の両方を隠蔽するため、ランダムに生成されたパターンベクトルを用いる。
• オブスクリュエーションパターンは認証セッションごとに再構成され、ワンタイムパッドとして機能し、再利用されない。
• 挑戦のオブスクリュエーションは、選択されたパターンベクトルとXOR演算を用いて実行され、応答のオブスクリュエーションはハミング重みをバランスさせることで、フィットネスベースの攻撃に耐性をもたせる。
• サーバ支援型認証プロトコルにより、信頼できるサーバーは現在のオブスクリュエーションパターンの知識を用いて応答を検証できる一方、デバイスは使用後すぐにパターンを破棄する。
• 再構成可能なブロックを用いて、複数のAPUFインスタンスからパターンベクトルを介して選択することで、モデル構築攻撃者にとっての複雑性を高める。
• 本手法は、さまざまな設定下でCMA-ES攻撃を用いた形式的評価が行われ、ハミング重みおよび信頼性ベースのフィットネス関数を用いてセキュリティが評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PUFベースの認証システムは、認証ラウンドの数を制限せずに、CMA-ESモデル化攻撃に対して強固なセキュリティを維持できるか？
• RQ2 応答のオブスクリュエーションは、CMA-ES攻撃で用いられるハミング重みベースのフィットネス関数をどれほど効果的に無効化できるか？
• RQ3 オブスクリュエーションパターンの動的再構成は、繰り返し観測によって攻撃者が元の挑戦-応答マッピングを学習するのを防げるか？
• RQ4 パターンベクトルブロック内のAPUFの数を増加させることで、モデル構築攻撃者の成功確率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 同じ条件下で、OB-PUFの信頼性と一意性は標準的なAPUFと比べてどうか？

主な発見

• OB-PUFは、直接的な挑戦-応答関係が不要な状況でも、隠蔽され再構成可能なオブスクリュエーションパターンのおかげでCMA-ES攻撃に対して顕著な耐性を示す。
• オブスクリュエートされた応答のハミング重みはバランスされており、ハミング重みベースのフィットネス関数攻撃の可能性を完全に排除する。
• 応答のオブスクリュエーションにより、信頼性ベースのCMA-ES攻撃が無効化され、攻撃者が完全な挑戦特徴を知らない限り、正しい応答の信頼性を特定できない。
• 本システムは、先行研究がモデル構築を防ぐために認証ラウンドの制限を要するのとは異なり、無制限の認証ラウンドをサポートする。
• XORブロック内のAPUFの数を増やす（例：p=4, m=18）ことで、攻撃者がすべてのパターンベクトルを正しく予測する能力が指数関数的に低下する。
• 形式的評価により、OB-PUFが高い一意性と信頼性を維持しており、認証シナリオにおいて低い誤認可および誤拒否率を達成することが確認された。