[論文レビュー] Ring Oscillator and its application as Physical Unclonable Function (PUF) for Password Management

Alireza Shamsoshoara|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、リングオシレーターを物理的クローン不能関数（PUF）として用いることで、ユーザー認証用の独自で予測不能なチャレンジを生成する、低コストでハードウェアベースのパスワード管理システムを提案する。ラズベリー・パイに実装されたリングオシレーターの周波数変動を活用することで、秘密情報を保存せずにデバイス固有のフィンガープリントを抽出し、安全な鍵の導出を実現するとともに、非揮発性メモリへの依存を低減する。周波数測定の信頼性が確認され、MATLABベースのパスワードマネージャーとの成功した統合が示され、組み込み認証システムへの実現可能性が示された。

ABSTRACT

Mobile and embedded devices are becoming inevitable parts of our daily routine. Similar to other electronic devices such as read access memory (RAM) and storage, mobile devices require to authenticate and to be authenticated in a secure way. Usually, this can be accomplished by servers which possess private information for all devices. Since these devices are inherently mobile and operating in untrusted environments, they are prone to be accessed by untrustworthy users. Physical unclonable function (PUF) is a unique physical feature of a semiconductor device such as a microprocessor that can be generated from physical conditions such as supply voltage, temperature, etc. Ring oscillators are the principal parts of PUFs that are synthesized on a field-programmable gate array (FPGA) or an application-specific integrated circuit (ASIC). Password manager systems are used in order to keep a database of usernames and password for clients in order for registration and authentication. This table plays a crucial role in authentication in many systems. Hence, security is one of the important features of these systems. Normally, in these tables only usernames and passwords are stored; however, they are vulnerable to many attacks. So, the first method of enhancing the security is using the hash instead of the original data, but, advanced hackers can break these hash data again. Hence, the method that we are going to use in this project is utilizing PUF to store the challenge of each user instead of saving the hash of passwords.

研究の動機と目的

• EEPROM や SRAM などの非揮発性メモリを用いた従来のパスワード保存方式のセキュリティ的・コスト的制限を是正すること。
• 半導体デバイスの物理的ばらつきを活用して、低コストでバッテリー不要かつ安全な、デバイス固有の秘密を生成する方法を開発すること。
• ラズベリー・パイ上でリングオシレーターを用いた実用的なPUFベースのパスワード管理システムを実装し、リアルタイムのチャレンジ・アフターレスポンス認証を可能とすること。
• リングオシレーターからの周波数測定の信頼性と正確さが、PUF応用に適しているかどうかを検証すること。
• TCP/IP通信とMATLABベースのGUIを用いたパスワードマネージャーシステムへのPUF統合を実証すること。

提案手法

• プロセスばらつきを活用するため、CMOS技術を用いてトランジスタレベルで3つのNOTゲートと1つのNANDゲートから構成されるリングオシレーターを設計した。
• 周波数は式 $ f(Hz) = \frac{1}{1.38 \cdot R \cdot C \cdot n} $ を用いて計算され、ここで $ n $ はインバーターの数、$ R $ および $ C $ は各段階の抵抗および静電容量である。
• 周波数測定は、ラズベリー・パイのGPIOピンを用い、割り込み駆動型エッジ検出と0.5秒間のパルスカウントにより実施され、振動周波数が算出された。
• ラズベリー・パイの周波数測定を検証するため、低価格のロジックアナライザーが使用され、許容範囲内での一致が確認され、測定の信頼性が裏付けられた。
• チャレンジ・アフターレスポンス機構では、ユーザーIDとパスワードハッシュのXORを用いて16×16のテーブル構造内のセル位置を特定し、PUFが生成する周波数をチャレンジ値として使用した。
• コンピュータ（ホスト）とラズベリー・パイ（クライアント）間の通信はTCP/IPソケットを介して確立され、登録および認証のための安全なデータ交換が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非揮発性メモリに秘密を保存せずに、リングオシレーター基盤のPUFが、一意で予測不能なチャレンジ値を信頼性高く生成できるか？
• RQ2 実環境下でラズベリー・パイがリングオシレーターの周波数をどれほど正確に測定できるか、そしてPUF応用に信頼できるか？
• RQ3 環境要因の変動が、実装上でのPUF応答の安定性と再現性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 PUFベースのシステムを、従来のハッシュベースの保存方式に代わるパスワード管理フレームワークに効果的に統合できるか？
• RQ5 低コストでオープンソースなプラットフォーム（例：ラズベリー・パイ）を用いたPUFベース認証の実装可能性と耐障害性はどの程度か？

主な発見

• リングオシレーターは8本のラインで測定可能な周波数出力を成功裏に生成し、ラズベリー・パイで測定された値は (136, 46, 26, 14, 204, 66, 394, 56) Hz であった。
• ラズベリー・パイの周波数測定値は低価格のロジックアナライザーによる検証と一致し、測定の信頼性が確認された。
• MATLABベースのパスワードマネージャーとの統合が成功裏に実現され、GUIを介して登録、認証、テーブル表示が可能となった。
• 行列ではなく構造ベースのテーブルを採用することで、空間計算量の問題を回避し、衝突処理を連結によって行えるようにし、スケーラビリティを向上させた。
• PUFが生成する周波数を用いたチャレンジ・アフターレスポンス機構により、安全な認証が実現され、テスト中のGUIで正しく応答が検証された。
• 低コストハードウェア上でも実装が可能であることが実証され、PUFは高価な部品や非揮発性メモリを用いずに展開可能であることが示された。