[論文レビュー] Timing Attack Resilient Decoding Algorithms for Physical Unclonable Functions

Sven Puchinger, Sven Müelich+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、連結符号方式におけるリード・ソロモン符号のリストデコードを用いて、物理的不可再現関数（PUFs）のタイミング攻撃耐性デコードアルゴリズムを提案する。最小距離の半分を越えるデコード半径への拡張により、従来の手法よりも低いブロック誤り率を達成する一方で、置換に基づくマスキングとアルゴリズム的硬化を通じて定常実行時間を保証し、側面チャネル攻撃に対する安全な鍵再生成を実現する。

ABSTRACT

This paper deals with the application of list decoding of Reed--Solomon codes to a concatenated code for key reproduction using Physical Unclonable Functions. The resulting codes achieve a higher error-correction performance at the same code rate than known schemes in this scenario. We also show that their decoding algorithms can be protected from side-channel attacks on the runtime both by masking techniques and by directly modifying the algorithms to have constant runtime.

研究の動機と目的

• 既存の手法を上回る性能を達成するPUFベースの鍵再生成システムにおける誤り訂正性能の向上。
• 実行時間のばらつきを利用したタイミング側面チャネル攻撃からデコードアルゴリズムを保護すること。
• ハミング距離計算の順序を置換ベースでマスキングすることにより、側面チャネル漏洩に対して情報理論的セキュリティを達成すること。
• 実世界のハードウェアにおける側面チャネル耐性を備えた高パフォーマンスPUFの実用的導入を可能にすること。
• 高度なソフトデシジョンデコード（例：Kötter–Vardy）をPUFシステムに統合する基盤を構築すること。

提案手法

• 連結符号方式においてリード・ソロモン符号のリストデコードを用い、最小距離の半分を越えるデコード半径を拡張することで、誤り訂正能力を向上させる。
• 符号語のランダムな置換を用いてハミング距離計算の順序をマスキングし、実際の符号語にかかわらず定常実行時間を確保する。
• 文献[7]のマスキング技術をリストデコードプロセスに適用し、それがタイミング攻撃に対して情報理論的セキュリティを提供することを証明する。
• 符号語の置換リストを定義し、受信語とのハミング距離を置換順に計算することで、真の符号語に関する不確実性を保持する。
• 符号語にすべてに同じ符号語を加え、受信語に対しても同様に加算することで、置換下でもハミング距離が保存されることを活用し、区別不能性を保証する。
• 攻撃者が符号語のハミング距離の順序付きリストを観測しても、符号語の条件付きエントロピーが変化しないことを形式的に証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リード・ソロモン符号のリストデコードは、従来のデコード手法と比較して、PUFベースの鍵再生成においてブロック誤り率の性能向上を達成できるか？
• RQ2 性能を犠牲にせずに、デコードアルゴリズムをタイミング側面チャネル攻撃に対して耐性化できるか？
• RQ3 ハミング距離計算の順序をマスキングすることで、タイミング漏洩の下でも情報理論的セキュリティが維持されるか？
• RQ4 提案された定常実行時間デコード手法は、既存のPUFアーキテクチャに最小限のオーバーヘッドで統合可能か？
• RQ5 攻撃者がすべての符号語に対するハミング距離の順序付きリストを観測した場合、セキュリティの理論的保証は何か？

主な発見

• 提案されたリストデコード方式は、最小距離の半分を越えるデコード半径の拡張により、PUFシナリオにおいて既存の符号とデコーダーを上回る低いブロック誤り確率を達成する。
• 符号語のランダムな置換に基づくマスキング技術により、攻撃者がハミング距離の順序付きリストを観測しても、符号語の条件付きエントロピーが変化しないことが保証される。
• 証明により、置換されたハミング距離の観測下でも、真の符号語に関する不確実性が低下しないことが示され、情報理論的セキュリティが確認される。
• 符号語を置換順に処理することで、デコードアルゴリズムを定常実行時間にできるため、タイミング側面チャネル漏洩が排除される。
• 本手法は、Kötter–Vardyのソフトデシジョンデコーダーなどの高度なデコードアルゴリズムとも互換性があり、さらなる性能向上が可能である。
• 本手法は、実用的で側面チャネル耐性を備えた高パフォーマンスデコードをPUFベースの鍵管理システムに統合する基盤を提供する。