[논문 리뷰] A Touch of Evil: High-Assurance Cryptographic Hardware from Untrusted Components

Vasilios Mavroudis, Andrea Cerulli외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 12.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 상용 유통 제품(COTS) 보안 암호처리장치와 임계값 암호기술을 활용하여, 다수의 구성 요소가 악성 또는 고장 났을 경우에도 강력한 보안을 확보하는 고신뢰성 암호 하드웨어 아키텍처인 Myst를 제안한다. 다양한 신뢰할 수 없는 집적회로(IC)에 비밀과 계산을 분산함으로써, 악성 공격자가 성공하기 위해서는 모든 구성 요소를 동시에 해킹해야 하며, 이로 인해 1% 미만의 계산 오버헤드로 거의 완벽한 백도어 내성 성능을 달성한다.

ABSTRACT

The semiconductor industry is fully globalized and integrated circuits (ICs) are commonly defined, designed and fabricated in different premises across the world. This reduces production costs, but also exposes ICs to supply chain attacks, where insiders introduce malicious circuitry into the final products. Additionally, despite extensive post-fabrication testing, it is not uncommon for ICs with subtle fabrication errors to make it into production systems. While many systems may be able to tolerate a few byzantine components, this is not the case for cryptographic hardware, storing and computing on confidential data. For this reason, many error and backdoor detection techniques have been proposed over the years. So far all attempts have been either quickly circumvented, or come with unrealistically high manufacturing costs and complexity. This paper proposes Myst, a practical high-assurance architecture, that uses commercial off-the-shelf (COTS) hardware, and provides strong security guarantees, even in the presence of multiple malicious or faulty components. The key idea is to combine protective-redundancy with modern threshold cryptographic techniques to build a system tolerant to hardware trojans and errors. To evaluate our design, we build a Hardware Security Module that provides the highest level of assurance possible with COTS components. Specifically, we employ more than a hundred COTS secure crypto-coprocessors, verified to FIPS140-2 Level 4 tamper-resistance standards, and use them to realize high-confidentiality random number generation, key derivation, public key decryption and signing. Our experiments show a reasonable computational overhead (less than 1% for both Decryption and Signing) and an exponential increase in backdoor-tolerance as more ICs are added.

연구 동기 및 목표

• 글로벌적으로 분산된 집적회로(IC) 제조 공정에서 발생하는 공급망 공격과 하드웨어 트로이 목마의 심각한 보안 위험을 해결한다.
• 기존의 탐지 및 방지 기법들이 취약하고 실용적 구현에 비용이 많이 들기 때문에 이러한 한계를 극복한다.
• 다수의 구성 요소가 손상된 경우에도 안전한 고신뢰성 암호 하드웨어를 위한 실용적이고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.
• 신뢰할 수 없는 다양한 IC에 신뢰를 분산함으로써, 신뢰할 수 있는 제조 공정이 필요 없이도 상용 유통 제품(COTS) 구성 요소로 구성된 암호 시스템에 대한 신뢰를 가능하게 한다.

제안 방법

• 다양한 상용 유통 제품(COTS) 보안 암호처리장치에 암호 비밀과 계산을 분산하는 중복 기반 아키텍처를 적용한다.
• 임계값 암호기술(예: 임계값 비밀 공유)을 사용하여, 단일 구성 요소가 전체 비밀을 알 수 있거나 결과를 단독으로 조작할 수 없도록 보장한다.
• IC 간의 다수결 투표 메커니즘을 통합하여 오작동하거나 악성 행위로 인한 출력을 탐지하고 거부한다.
• FIPS 140-2 레벨 4 검증을 통과한 상용 유통 제품(COTS) 보안 암호처리장치를 활용하여 구성 요소 수준에서의 변조 방지 및 고신뢰성 보장을 확보한다.
• 랜덤 수 생성, 키 유도, 복호화, 서명과 같은 모든 암호 연산을 분산형으로 수행하며, 고장에 견디는 방식으로 설계한다.
• 실세계 성능과 보안 보장을 평가하기 위해 120개의 상용 유통 제품 스마트 카드를 탑재한 맞춤형 FPGA 기반 보드에 시스템을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 없는 상용 유통 제품(COTS) 구성 요소만을 사용하여 신뢰할 수 있는 제조 공정이 없이도 고신뢰성 암호 하드웨어를 구축할 수 있는가?
• RQ2 임계값 암호기술과 중복성을 어떻게 조합하여 다수의 악성 또는 고장난 IC가 존재하는 환경에서 백도어 내성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 강력한 보안 보장을 유지하면서도 많은 상용 유통 제품(COTS) 구성 요소에 암호 연산을 분산할 경우 실용적인 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ4 IC 수를 늘일수록 하드웨어 트로이 목마와 탐지되지 않은 오류에 대한 저항력은 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 이러한 시스템은 특수 제작 또는 신뢰할 수 있는 하드웨어 없이도 FIPS 140-2 레벨 4 보증을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Myst 아키텍처는 단일 실패 지점 시스템 대비 복호화 및 서명 연산에서 1% 미만의 계산 오버헤드를 달성한다.
• IC 수가 증가할수록 백도어 내성 성능이 지수적으로 향상되며, 실제로 모든 구성 요소를 동시에 해킹하는 것은 불가능해진다.
• 120개의 FIPS 140-2 레벨 4 검증을 통과한 상용 유통 제품(COTS) 보안 암호처리장치를 사용한 프로토타입은 복호화 시 최대 315회/초, 서명 시 최대 77회/초의 처리 속도를 기록했다.
• 모든 개별 IC가 신뢰할 수 없는 상태여도, 임계값 기반 비밀 공유와 출력 검증 덕분에 단일 IC가 전체 시스템을 손상시킬 수 없기 때문에 시스템은 여전히 안전하다.
• 이러한 접근 방식은 분할 제조 및 검증 가능한 계산과 같은 기존 대응 기법들과 호환되어 실용성을 희생시키지 않고 다층 보안을 구현할 수 있다.
• 결과는 Myst가 매우 확장 가능하며 은행, 군사, 우주 시스템과 같은 고신뢰성 환경에 배치하기에 적합하다는 것을 확인한다.