[論文レビュー] TAAL: Tampering Attack on Any Key-based Logic Locked Circuits

Ayush Jain, Ziqi Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 100被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、秘密鍵をオンチップメモリに格納する任意の鍵ベースの論理ロック回路を破壊する、新たな改ざん攻撃TAALを提案する。この攻撃は、ネットリストにハードウェアトロイの埋め込みにより、アクティベート時に秘密鍵を漏洩させる。攻撃は、信頼できないファウンドリーがネットリストデータにアクセス可能な点を悪用し、改ざん防止メモリに格納された鍵を抽出可能にするとともに、三種類の異なるトロイ型（T1, T2, T3）により、製造テストを回避し、既存の論理ロック防御をすべて無効化する。

ABSTRACT

Due to the globalization of semiconductor manufacturing and test processes, the system-on-a-chip (SoC) designers no longer design the complete SoC and manufacture chips on their own. This outsourcing of the design and manufacturing of Integrated Circuits (ICs) has resulted in several threats, such as overproduction of ICs, sale of out-of-specification/rejected ICs, and piracy of Intellectual Properties (IPs). Logic locking has emerged as a promising defense strategy against these threats. However, various attacks about the extraction of secret keys have undermined the security of logic locking techniques. Over the years, researchers have proposed different techniques to prevent existing attacks. In this paper, we propose a novel attack that can break any logic locking techniques that rely on the stored secret key. This proposed TAAL attack is based on implanting a hardware Trojan in the netlist, which leaks the secret key to an adversary once activated. As an untrusted foundry can extract the netlist of a design from the layout/mask information, it is feasible to implement such a hardware Trojan. All three proposed types of TAAL attacks can be used for extracting secret keys. We have introduced the models for both the combinational and sequential hardware Trojans that evade manufacturing tests. An adversary only needs to choose one hardware Trojan out of a large set of all possible Trojans to launch the TAAL attack.

研究の動機と目的

• 任意のオンチップメモリに秘密鍵を格納する論理ロック回路が、ハードウェアトロイ型の改ざん攻撃に対して脆弱であることを示すこと。
• 信頼できないファウンドリーが、ロックメカニズムの事前知識なしにネットリストから秘密鍵を抽出できる実用的な攻撃フレームワークを開発すること。
• 通常の製造テストを回避しつつ、信頼性の高い鍵抽出を可能にするハードウェアトロイを設計すること。
• SAT耐性の論理ロックやスプリット製造を含む、既存の対策がこの攻撃に対して無効であることを示すこと。

提案手法

• 三種類のTAAL攻撃（T1, T2, T3）を提案：T1はトロイのアクティベート時に直接秘密鍵をプライマリ出力に漏洩させる。T2およびT3は、組み合わせ論理および順序論理パスを通じて鍵を伝搬させる。
• 通常動作時には機能的に無害であり、製造テストによる検出を回避する組み合わせ論理および順序論理のハードウェアトロイモデルを設計する。
• 高い構造的複雑性を持つトロイを生成するアルゴリズムを開発し、標準テストパターンによる検出が困難で、広大な探索空間を持つように保証する。
• レイアウト／マスクデータから得られるネットリストレベルのアクセスを活用し、任意の場所にトロイを挿入する。これは、信頼できないファウンドリーが物理的設計からネットリストを抽出可能であることに基づく。
• 特定の条件下でのみトロイをアクティベートするトリガー機構を採用し、テスト中の検出可能な副作用を最小限に抑える。
• 膨大な数の可能な設定から、唯一のトロイが成功するだけで攻撃の実現可能性を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップメモリに秘密鍵を格納する任意の論理ロック回路に対して、ロック手法に依存せず、秘密鍵を抽出可能なハードウェアトロイを設計可能か？
• RQ2 標準的な製造テスト手順中に検出されにくく、同時に鍵抽出を可能にするハードウェアトロイはどのように構築できるか？
• RQ3 論理ロック回路における鍵漏洩に最も効果的なトロイアーキテクチャ（組み合わせ論理対順序論理）の種別は何か？
• RQ4 SAT耐性の論理ロックやスプリット製造などの既存の対策が、この改ざんベースの攻撃に対してどの程度有効であるか？

主な発見

• TAAL攻撃は、基礎となるロックメカニズムにかかわらず、任意の鍵ベースの論理ロック回路を破壊可能であり、格納された秘密鍵の存在を悪用する。
• T1型TAAL攻撃は、トロイのアクティベート時に直接秘密鍵をプライマリ出力に露出させるため、複雑な信号伝搬を必要としない。
• T2およびT3型攻撃は、出力への制御された信号伝搬に依存しており、低可視性の副作用により検出が困難になり、よりスパイシーである。
• 提案されたトロイ生成アルゴリズムは、膨大な数の潜在的トロイを生成するため、実際の自動検出やフィルタリングは不可能である。
• ハードウェアトロイはすべての標準製造テストに合格するように設計されており、プロトタイピング段階の検証段階で検出されない。
• 攻撃は信頼できないファウンドリーにとって実用的である。なぜなら、レイアウト／マスクデータからネットリストを抽出し、プロダクション前までにトロイを挿入可能だからである。