[論文レビュー] Programmable RO (PRO): A Multipurpose Countermeasure against Side-channel and Fault Injection Attack

Yuan Yao, Pantea Kiaei+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Cryptographic Implementations and Security被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、同時にサイドチャnel攻撃に対する対策とリアルタイムでの故障インジェクション検出を実現する低コストで汎用性の高いハードウェアプリミティブ、プログラマブルリングオシレーター（PRO）を提案する。動的周波数変更による電力ノイズ注入と、オンチップPROアレイにおける周波数シフトのモニタリングにより、電磁界および電力グリッチ故障を検出するとともに、電力ベースのサイドチャネル漏洩を顕著に低減する。FPGAプロトタイプで検証され、100%の故障検出正確性を達成した。

ABSTRACT

Side-channel and fault injection attacks reveal secret information by monitoring or manipulating the physical effects of computations involving secret variables. Circuit-level countermeasures help to deter these attacks, and traditionally such countermeasures have been developed for each attack vector separately. We demonstrate a multipurpose ring oscillator design - Programmable Ring Oscillator (PRO) to address both fault attacks and side-channel attacks in a generic, application-independent manner. PRO, as an integrated primitive, can provide on-chip side-channel resistance, power monitoring, and fault detection capabilities to a secure design. We present a grid of PROs monitoring the on-chip power network to detect anomalies. Such power anomalies may be caused by external factors such as electromagnetic fault injection and power glitches, as well as by internal factors such as hardware Trojans. By monitoring the frequency of the ring oscillators, we are able to detect the on-chip power anomaly in time as well as in location. Moreover, we show that the PROs can also inject a random noise pattern into a design's power consumption. By randomly switching the frequency of a ring oscillator, the resulting power-noise pattern significantly reduces the power-based side-channel leakage of a cipher. We discuss the design of PRO and present measurement results on a Xilinx Spartan-6 FPGA prototype, and we show that side-channel and fault vulnerabilities can be addressed at a low cost by introducing PRO to the design. We conclude that PRO can serve as an application-independent, multipurpose countermeasure.

研究の動機と目的

• サイドチャネル攻撃および故障インジェクション攻撃の両方に対して、一括的かつ低コストの回路レベルの対策が不足しているという問題に対処すること。
• 電磁界、電力、または内部の故障インジェクションによって引き起こされる電源ネットワークの異常を、アプリケーションに依存しないオンチップ監視で実現すること。
• プログラマブル周波数変調を用いた能動的ノイズ注入により、暗号回路における電力ベースのサイドチャネル漏洩を低減すること。
• オンチップ電源ダイナミクスの空間的および時間的カバレッジを確保するため、PROアレイを用いたスケーラブルでリアルタイムのセキュア監視ネットワークを開発すること。
• PROの実用性と有効性を、測定可能な検出性能およびマスキング性能を伴う実際のFPGAベースのプロトタイプで実証すること。

提案手法

• ユーザーが制御可能な振動周波数を持つプログラマブルリングオシレーター（PRO）の設計により、回路にランダムな電力ノイズを注入する。
• オンチップPROをカウンタ値の読み取りにより電源センサーとして使用し、電源異常を示す周波数変化をリアルタイムで推定する。
• FPGAフロアプラン全体に36個のPROをグリッド状に配置し、電源分配ネットワーク（PDN）のフラクチュエーションを空間的に分解能をもって監視可能にする。
• UART経由でのリアルタイムカウンタ監視を実装し、故障インジェクションによる異常な周波数シフトやカウンタオーバーフローを検出する。
• PROをセキュア設計に統合し、電力消費パターンのランダマイズによりサイドチャネル漏洩をマスキングする。
• リファレンスカウンタと周波数計算の使用により、正常時および攻撃時におけるPRO動作の正確で継続的な監視を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのプログラマブルハードウェアプリミティブが、低面積および低消費電力オーバーヘッドで、サイドチャネル攻撃および故障インジェクション攻撃の両方に対して効果的に防御できるか。
• RQ2 リングオシレーターの動的周波数変調が、暗号回路における電力ベースのサイドチャネル漏洩をどの程度低減できるか。
• RQ3 PROアレイが、PDN上の電磁界故障インジェクションおよび電力グリッチをリアルタイムかつ空間的に局所化して検出できるか。
• RQ4 PROカウンタが、故障インジェクション攻撃中に発生する周波数シフトやカウンタオーバーフローなどの異常をどの程度正確に検出できるか。
• RQ5 PROベースの監視ネットワークを、SoCのような大規模システムに統合し、ランタイムセキュリティを包括的に実現できるか。

主な発見

• PRO設計により、ランダム周波数ノイズの注入が成功し、サイドチャネル漏洩がマスキングされ、電力ベースのサイドチャネル情報漏洩が顕著に低減された。
• PROアレイは、電磁界故障インジェクション（EMFI）攻撃に対して100%の検出率を達成し、周波数シフトおよびカウンタオーバーフローの兆候が観測された。
• EMFI攻撃時、36個のPROのうち32個で周波数分布のシフトが一貫して観測された。特にRO-23～RO-27およびRO-31～RO-36では、故障インジェクション時にカウンタ値が約4.08×10⁷ MHzに極端に上昇した。
• PROベースの監視ネットワークにより、オンチップ電源異常の時間的および空間的カバレッジが実現され、フロアプランの場所-3など、特定の場所での故障検出が可能になった。
• プロトタイプは、1つのPRO構造が、低コストの面積および消費電力オーバーヘッドで、サイドチャネル対策と故障検出の両方を果たせることを示した。
• 本手法により、リアルタイムでユーザーが制御可能なPROの監視と設定が可能となり、複雑なSoC設計へのランタイムセキュリティ統合を支援する。