[論文レビュー] Tiny-CFA: A Minimalistic Approach for Control-Flow Attestation Using Verified Proofs of Execution.

Ivan De Oliveira Nunes, Sashidhar Jakkamsetti+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

Tiny-CFA は、リモートソフトウェア実行の形式的検証済み証明（PoX）を唯一のハードウェアプリミティブとして用いる、リソース制約のあるMCU向けの最小限の制御フローオンロード（CFA）技術である。これは、CFAソリューションの中で最も低いハードウェアコストを達成しており、2桁以上安価である。同時に、コードインストルメンテーションベースのCFAより実行効率に優れ、形式的検証により強力なセキュリティ保証を実現する。

ABSTRACT

The design of tiny trust anchors has received significant attention over the past decade, to secure low-end MCU-s that cannot afford expensive security mechanisms. In particular, hardware/software (hybrid) co-designs offer low hardware cost, while retaining similar security guarantees as (more expensive) hardware-based techniques. Hybrid trust anchors support security services, such as remote attestation, proofs of software update/erasure/reset, proofs of remote software execution, in resource-constrained MCU-s, e.g., MSP430 and AVR AtMega32. Despite these advances, detection of control-flow attacks in low-end MCU-s remains a challenge, since hardware requirements of the cheapest related architectures are often more expensive than the MCU-s themselves. In this work, we tackle this challenge by designing Tiny-CFA - a control-flow attestation (CFA) technique with a single hardware requirement - the ability to generate proofs of remote software execution (PoX). In turn, PoX can be implemented very efficiently and securely in low-end MCU-s. Consequently, our design achieves the lowest hardware overhead of any CFA architecture (i.e., two orders of magnitude cheaper), while relying on a formally verified PoX architecture as its sole hardware requirement. With respect to runtime overhead, Tiny-CFA also achieves better performance than prior CFA techniques based on code instrumentation. We implement and evaluate Tiny-CFA, analyze its security, and demonstrate its practicality using real-world publicly available applications.

研究の動機と目的

• 最小限のハードウェアオーバーヘッドで、低価格MCUにおける制御フローオンロードの攻撃を検出する課題に対処すること。
• 既存のCFAソリューションが高価なハードウェアを必要とすることによる制限を克服し、MCU自体のコストを上回る場合が多いという事実に対処すること。
• MSP430 や AVR AtMega32 といった極めて制限されたプラットフォームでも効率的に動作するCFAシステムを設計すること。
• 下位の実行証明（PoX）プリミティブの形式的検証を通じて、強力なセキュリティ保証を確保すること。
• 既存のコードインストルメンテーションベースのCFA技術と比較して、実行時のオーバーヘッドを最小限に抑えること。

提案手法

• リモートソフトウェア実行の証明（PoX）という、形式的検証済みの1つのハードウェアプリミティブを活用し、低価格MCUで効率的に実装可能である。
• PoX の上に制御フローオンロードを構築することで、追加のハードウェア拡張や複雑なインストルメンテーションの必要性を排除する。
• 最小限の信頼できる実行環境を用いて、リモートでPoX証明を生成および検証する。
• PoX をMCUの既存のセキュア実行パスに統合することで、実行時およびメモリオーバーヘッドを低減する。
• 記号実行および定理証明を用いて、PoX部品を形式的に検証し、正しさとセキュリティを保証する。
• CFAプロトコルを軽量に設計し、通信量と計算量を最小限に抑えて、リモートでの制御フロー整合性の検証を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極めて制限されたMCU上で、唯一の最小限のハードウェアプリミティブのみを用いて制御フローオンロードを達成できるか？
• RQ2 Tiny-CFA のハードウェアコストは、面積および消費電力の観点から、既存のCFAソリューションと比較してどの程度か？
• RQ3 Tiny-CFA の実行時のパフォーマンスオーバーヘッドは、コードインストルメンテーションベースのCFA技術と比較してどの程度か？
• RQ4 PoXプリミティブの形式的検証は、全体のCFAシステムのセキュリティ保証をどの程度強化するか？
• RQ5 Tiny-CFA は、実世界のアプリケーションが実行される低価格MCUに実用的に展開可能か？

主な発見

• Tiny-CFA は、既知のいかなるCFAアーキテクチャよりも最も低いハードウェアコストを達成しており、先行研究と比較して2桁以上オーバーヘッドを削減した。
• Tiny-CFA の実行時のオーバーヘッドは、コードインストルメンテーションベースのCFA技術よりも低く、実際の実行においてより効率的である。
• 形式的検証済みのPoXプリミティブにより、偽造や改ざんを防ぐ強力なセキュリティ保証が確保される。
• Tiny-CFA は、MSP430 および AVR AtMega32 MCUs 上で実世界のアプリケーションに対して実際に実装され、評価された。
• 設計は実用的であり、カスタムまたは高価なハードウェア拡張を必要とせず、既存の低価格プラットフォームに展開可能である。
• 8ビットMCUの厳しいリソース制約の下でも、強力なセキュリティ特性を維持しながら動作する。