[논문 리뷰] A Survey on Hardware-based Security Mechanisms for Internet of Things.

Alireza Shamsoshoara, Ashwija Reddy Korenda외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 29.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 145인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 자율주행 기반의 신뢰할 수 있는 PUF 기반 비밀 키 생성 방법을 제안한다. 이는 IoT 기기에서 저항성 랜덤 액세스 메모리(ReRAM)를 사용하여 기존 암호화 방법의 한계를 극복하기 위한 것이다. ReRAM의 내재된 하드웨어 변동성을 활용하여 물리적 공격에 강건하고 안전하며 저비용의 키 생성을 가능하게 하며, 자원이 제한된 대규모 IoT 네트워크에 대해 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

The vast areas of applications for IoTs in future smart cities, industrial automation, smart transportation systems, and smart health facilities represent a thriving surface for several security attacks with enormous economic, environmental and societal impacts. This survey paper presents a review of several security challenges of emerging IoT networks and discusses some of the attacks and their countermeasures based on different domains in IoT networks. Most conventional security solutions for IoT networks are adopted from communication networks while noting the particular characteristics of IoT networks such as the huge number of nodes, heterogeneity of the network, and the limited energy, communication, and computation of the nodes, these conventional security methods are not really adequate. One important challenge toward utilizing common secret key-based cryptographic methods in very large scale IoT networks is the problem of secret key generation, distribution, and storage in IoT devices and more importantly protecting these secret keys from physical attacks. Physically unclonable functions (PUFs) are recently utilized as a promising hardware security solution for identification and authentication in IoT networks. Since PUFs extract the unique hardware characteristics, they potentially offer an affordable and practical solution for secret key generation. However, several barriers limit the applications of different types of PUFs for key generation purposes. We discuss the advantages of PUF-based key generation methods, review the state-of-the-art techniques in this field and propose a reliable PUF-based solution for secret key generation using resistive random-access memories (RERAMs) embedded in IoTs.

연구 동기 및 목표

• 대규모 자원 제약이 있는 IoT 네트워크에서 기존 비밀 키 기반 암호화의 부적합성을 해결하기 위해.
• 특히 물리적 공격 위협 하에서 비밀 키 생성, 분배, 저장의 과제를 극복하기 위해.
• 기존 PUF 유형이 IoT 환경에서 키 생성에 한계를 보이는 이유를 탐색하기 위해.
• IoT 기기에서 신뢰할 수 있고 안전한 키 생성을 가능하게 하기 위해 ReRAM를 활용한 실용적인 하드웨어 기반 솔루션을 제안하기 위해.
• 소프트웨어 기반 키 관리에 의존하지 않고 내재된 하드웨어 변동성을 활용해 인증 및 식별을 강화함으로써 IoT 보안을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 저항성 랜덤 액세스 메모리(ReRAM)의 내재된 하드웨어 변동성에서 유도된 물리적 불가복제 기능(PUFs)을 비밀 키 생성에 활용하기 위해.
• 제조 과정 중에 발생하는 저항성 변동성과 같은 ReRAM 장치의 고유한 전기적 특성을 키 생성의 엔트로피 원천으로 활용하기 위해.
• ReRAM 셀에서 고유한 반응을 추출하고 안정화하여 암호학적으로 강력한 키를 생성할 수 있도록 IoT 기기 내부에 PUF 아키텍처를 설계하기 위해.
• 공정 변동성과 환경 변화에 비추어도 신뢰할 수 있는 키 재생을 보장하기 위해 오류 보정 기법을 구현하기 위해.
• ReRAM 구조에 내재된 나노스케일 제조 결함을 활용하여 물리적 불가복제성을 확보하기 위해.
• 측정된 키를 사이드 채널 공격 및 물리적 변조 공격으로부터 보호하기 위해 PUF 기반 키 생성 모듈을 IoT 기기의 신뢰할 수 있는 실행 환경에 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PUF 기반 키 생성은 기존 비밀 키 관리의 확장성과 물리적 보안 한계를 어떻게 극복할 수 있는가?
• RQ2 기존 PUF 유형이 자원 제약이 있는 IoT 기기에서 비밀 키 생성에 사용되는 데 있어 주요 기술적 장벽은 무엇인가?
• RQ3 ReRAM 기반 PUF는 실용적인 IoT 애플리케이션에서 비밀 키 생성에 충분한 엔트로피와 신뢰성을 제공할 수 있는가?
• RQ4 ReRAM의 하드웨어 수준 변동성을 어떻게 활용하여 암호학적으로 강력하고 물리적으로 불가복제인 키를 생성할 수 있는가?
• RQ5 실세계 환경 및 운영 조건에서 ReRAM 기반 PUF의 안정성과 보안성을 확보하기 위해 고려해야 할 설계 요소는 무엇인가?

주요 결과

• ReRAM 기반 PUF는 내재된 나노스케일 제조 변동성을 활용하여 비밀 키 생성에 적합한 고유하고 불가복제인 하드웨어 지문을 생성한다.
• 제안된 방법은 외부 키 저장 또는 분배 메커니즘을 요구하지 않으며, 안전하고 저비용의 비밀 키 생성을 가능하게 한다.
• ReRAM를 활용한 하드웨어 기반 키 생성은 사이드 채널 공격 및 오작동 유도 공격과 같은 물리적 공격에 취약성을 감소시킨다.
• 오류 보정 메커니즘의 통합으로 온도 및 전압 변화에 비추어 높은 신뢰성과 일관된 키 재생이 보장된다.
• 하드웨어 기반 특성과 최소한의 계산 오버헤드 덕분에 대규모 IoT 구현에 있어 확장성이 보장된다.
• 에너지 제약이 심하고 고도로 분산된 IoT 환경에서는 소프트웨어 기반 키 관리에 비해 ReRAM 기반 PUF가 실용적인 대안을 제공한다.