[論文レビュー] Temperature-Based Hardware Trojan For Ring-Oscillator-Based TRNGs

Samaneh Ghandali, Daniel Holcomb+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、通常の条件下では検出されないが、高温になると作動し、リングオシレーターに基づく真性乱数生成装置（TRNG）の出力を予測可能で非ランダムにする、巧妙でパrametricなハードウェアトロイの提案を行う。攻撃は、トランジスタの動作に温度に起因する変化を利用し、論理回路を変更せず、追加のゲートを追加せずにエントロピー源を無効化する。攻撃者はマークフ・チェーンモデルを用いて出力を予測可能にし、暗号セキュリティを著しく弱体化させる。

ABSTRACT

True random number generators (TRNGs) are essential components of cryptographic designs, which are used to generate private keys for encryption and authentication, and are used in masking countermeasures. In this work, we present a mechanism to design a stealthy parametric hardware Trojan for a ring oscillator based TRNG architecture proposed by Yang et al. at ISSCC 2014. Once the Trojan is triggered the malicious TRNG generates predictable non-random outputs. Such a Trojan does not require any additional logic (even a single gate) and is purely based on subtle manipulations on the sub-transistor level. The underlying concept is to disable the entropy source at high temperature to trigger the Trojan, while ensuring that Trojan-infected TRNG works correctly under normal conditions. We show how an attack can be performed with the Trojan-infected TRNG design in which the attacker uses a stochastic Markov Chain model to predict its reduced-entropy outputs.

研究の動機と目的

• 通常の動作条件下でも検出されないパrametricなハードウェアトロイを、リングオシレーターに基づくTRNGに設計すること。
• 論理回路を変更せず、追加のゲートを追加せずに、高温のみでトリガーされるようにトロイを設計すること。
• このようなトロイがTRNG出力のエントロピーを著しく低下させ、暗号セキュリティを損なう方法を示すこと。
• 攻撃者が非ランダムなTRNG出力を予測可能な確率的モデルとして使用できる、マークフ・チェーンに基づく確率的モデルを開発すること。
• NIST統計的テストおよびさまざまな温度での実世界の測定を用いて、トロイの有効性を評価すること。

提案手法

• トロイは、リングオシレーターの組み合わせ論理における重要なパスの長さを延長することで実装され、温度に起因する遅延変化に敏感になる。
• 高温（例：120°C）になると、遅延が増加し、リングオシレーターが周期的状態に崩壊し、エントロピーが消失する。
• 設計は正常に機能し、通常の温度（25°C、60°C）ではすべてのNIST乱 randomness テストに合格しており、隠蔽性が保証される。
• 攻撃モデルは、壊れたTRNGの周期的出力パターンを表すためにマークフ・チェーンを用い、将来の出力を確率的に予測可能にする。
• TRNGは45nm Nangate Open Cell Libraryを用いて実装され、トロイの影響はシミュレーションおよび統計的テストにより検証された。
• 鍵長に応じた攻撃の複雑さが評価され、低複雑度の攻撃でも、壊れたTRNGでは高い成功率を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リングオシレーターに基づくTRNG向けに、通常動作時でも検出されないハードウェアトロイをどのように設計できるか？
• RQ2 追加の論理回路なしに、温度のみでトリガーされるような物理的メカニズムは何か？
• RQ3 このトロイがTRNG出力のエントロピーをどの程度低下させるか、そしてその測定方法は？
• RQ4 攻撃者は確率的モデルを用いて、トロイに感染したTRNGの出力を予測可能か？そのモデルの有効性は？
• RQ5 このようなトロイが、高エントロピーの乱数に依存するシステムにおける実用的影響は何か？

主な発見

• 25°C、60°C、120°Cのすべての温度で、トロイなしTRNGはすべてのNIST統計的テストに合格しており、通常および極端な条件下でも堅牢であることが確認された。
• 25°Cおよび60°CではすべてのNISTテストに合格するが、120°Cではすべてのテストに失敗する。これは、トリガー温度でランダム性が著しく喪失していることを示している。
• 120°Cでは、3エッジROの崩壊までのサイクル数が逆ガウス分布に従い、平均がほぼゼロに低下する。これは、即座かつ繰り返しの崩壊を示している。
• 120°Cにおけるトロイに感染したTRNGの出力は、ラスタースキャンされたビットストリームの可視化で明確な周期的パターンを示しており、非ランダムな動作が確認された。
• 64ビット鍵を破る攻撃の複雑さは2^15にまで低く、成功率は0.8928に達する。256ビット鍵では2^55の複雑さで成功率0.964を示し、実用的な実現可能性が高かった。
• 確率的マークフ・チェーンモデルにより、トロイの周期的出力を正確に予測可能であり、攻撃の実行可能性と効率性が裏付けられた。