[論文レビュー] Threats on Logic Locking: A Decade Later

Kimia Zamiri Azar, Hadi Mardani Kamali+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 28被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、論理ロックの10年間にわたる研究を攻撃者中心の視点から包括的にレビューし、特にSAT、SMT、およびバイパス型攻撃の進化を分析している。複合的防御（SATハードと従来のオブスクリューションを組み合わせたもの）は、近似攻撃およびSMTベースの攻撃に対して依然として脆弱であることが判明しており、今後の安全なソリューションは、フルロック手法が示すように、深層再帰的DPLL構造を用いてSMTハード性を達成するとともに、高い出力破損を実現する必要があると提言している。

ABSTRACT

To reduce the cost of ICs and to meet the market's demand, a considerable portion of manufacturing supply chain, including silicon fabrication, packaging and testing may be pushed offshore. Utilizing a global IC manufacturing supply chain, and inclusion of non-trusted parties in the supply chain has raised concerns over security and trust related challenges including those of overproduction, counterfeiting, IP piracy, and Hardware Trojans to name a few. To reduce the risk of IC manufacturing in an untrusted and globally distributed supply chain, the researchers have proposed various locking and obfuscation mechanisms for hiding the functionality of the ICs during the manufacturing, that requires the activation of the IP after fabrication using the key value(s) that is only known to the IP/IC owner. At the same time, many such proposed obfuscation and locking mechanisms are broken with attacks that exploit the inherent vulnerabilities in such solutions. The past decade of research in this area, has resulted in many such defense and attack solutions. In this paper, we review a decade of research on hardware obfuscation from an attacker perspective, elaborate on attack and defense lessons learned, and discuss future directions that could be exploited for building stronger defenses.

研究の動機と目的

• 過去10年間における論理ロック攻撃の進化を攻撃者の視点から分析すること。
• SAT、SMT、およびバイパス攻撃といった新たな攻撃ベクトルに対して、既存のオブスクリューション方式の有効性を評価すること。
• 特にSATハードと従来のオブスクリューションを組み合わせた複合的防御における根本的な弱みを特定すること。
• SMTハード性を達成し、高い出力破損と近似攻撃および構造的攻撃に対して耐性を持つ、論理ロックの新たな方向性を提案すること。
• 今後の研究が、SAT/SMTソルバーおよびサイドチャネルまたは構造的リバースエンジニアリング技術に対抗できるオブスクリューション方式の設計に向かうように導くこと。

提案手法

• 機能的・時間的側面に基づき、攻撃を4種類に分類：テストインスパイアド、SAT、ポスト-SAT、SMTベースの攻撃。
• SAT攻撃を、初期のオブスクリューション方式の仮定を無効にした画期的なブレイクスラッグとして分析。特にキーゲート配置依存の方式に顕著である。
• SMT攻撃を、複数のソルバーを前処理・後処理・併用処理としてSATソルバーに統合可能な包括的プラットフォームとして評価。
• フルロック手法を提案。これは、指数関数的に深い再帰的DPLLコールツリーを構築することで、SAT/SMT攻撃の実行時間を増加させる。
• 式(1)を用いて攻撃実行時間をモデル化。合計時間はDPLL反復回数(N)と1反復あたりの平均DPLL時間(T_DPLL^Avg)に依存し、Mは再帰的コールを表す。
• 面積オーバーヘッドを伴って再帰的DPLLコール数(M)を指数関数的に増加させることで、攻撃が非現実的になる一方で、高い出力破損を維持できることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過去10年間で論理ロック方式が解体された主な脆弱性は何か？
• RQ2 SATハード方式はSAT/SMT攻撃に対して高い耐性を持つが、なぜバイパス、FALL、および削除攻撃に対して依然脆弱なのか？
• RQ3 高い出力破損を実現するSMTハードオブスクリューションは、SAT/SMT攻撃および構造的攻撃の両方に対して耐性を持てるか？
• RQ4 DPLLベースのソルバーの再帰的深さをどのように活用すれば、鍵空間の拡大に依存せずに攻撃の計算コストを増加させられるか？
• RQ5 SATハードと従来のオブスクリューションを組み合わせた複合的防御方式は、現代の近似攻撃およびSMTベースの攻撃に対して、どのような限界を示すか？

主な発見

• FALL、バイパス、およびSMT攻撃の組み合わせは、すべての既存の論理ロックソリューションを破ることができ、現在の防御戦略に深刻なギャップを露呈している。
• SATハード方式は出力破損が低く、SATおよびSMTソルバーに対して耐性があるものの、バイパス、FALL、削除、SPS攻撃に対して脆弱である。
• 高い出力破損を示す従来の論理ロック方式は、構造が単純であるため、SATおよびSMT攻撃で容易に破壊される。
• SATハードと従来のオブスクリューションを組み合わせた複合的防御は、キーリムーブやビット反転が可能な場合、近似SATおよびSMT攻撃に対して依然として脆弱である。
• フルロック手法は、深層再帰的DPLLコールツリーを構築することでSMTハード性を達成し、挿入されたゲート数の指数関数的増加に伴い攻撃時間が指数関数的に増加する。これにより、計算コストが現実的でなくなる。
• 式(1)は、SAT/SMT攻撃時間を反復回数(N)と1反復あたりの平均DPLL時間(T_DPLL^Avg)の積としてモデル化しており、Mは再帰的コールを表す。Mを増加させることで攻撃が非現実的になることが示された。