[논문 리뷰] COMA: Communication and Obfuscation Management Architecture

Kimia Zamiri Azar, Farnoud Farahmand외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 01.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security인용 수 20

한 줄 요약

COMA는 신뢰할 수 없는 팹에서 제조된 가로막힌 IC에서의 안전한 키 관리 및 통신을 위한 혁신적인 아키텍처를 제안한다. 칩 내부에 키를 저장하지 않고, PUF 기반의 동적 키를 사용하며, 두 가지 하이브리드 암호화 모드(DCC는 보안을 위해, LCC는 성능을 위해)를 도입함으로써, FORTIS 대비 면적 오버헤드를 14% 감소시켰으며, IoT 및 2.5D 시스템을 위한 고유한 칩 인증 및 액티베이션-어-서비스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, we introduce a novel Communication and Obfuscation Management Architecture (COMA) to handle the storage of the obfuscation key and to secure the communication to/from untrusted yet obfuscated circuits. COMA addresses three challenges related to the obfuscated circuits: First, it removes the need for the storage of the obfuscation unlock key at the untrusted chip. Second, it implements a mechanism by which the key sent for unlocking an obfuscated circuit changes after each activation (even for the same device), transforming the key into a dynamically changing license. Third, it protects the communication to/from the COMA protected device and additionally introduces two novel mechanisms for the exchange of data to/from COMA protected architectures: (1) a highly secure but slow double encryption, which is used for exchange of key and sensitive data (2) a high-performance and low-energy yet leaky encryption, secured by means of frequent key renewal. We demonstrate that compared to state-of-the-art key management architectures, COMA reduces the area overhead by 14%, while allowing additional features including unique chip authentication, enabling activation as a service (for IoT devices), reducing the side channel threats on key management architecture, and providing two new means of secure communication to/from an untrusted chip.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 없는 팹에서 제조된 가로막힌 IC에서 키 泄露의 심각한 보안 도전 과제를 해결한다.
• 사이드 채널 공격 및 물리적 공격을 방지하기 위해, 신뢰할 수 없는 칩 내부에 가로막기 해제 키를 저장할 필요성을 제거한다.
• 사용할 때마다 변경되는 동적이고 한 번만 사용 가능한 활성화 키를 제공하여, 재생 공격 및 브루트 포스 공격에 대비한 이동하는 목표물로 키를 전환한다.
• 두 가지 다른 암호화 모드를 사용하여 신뢰할 수 없는 칩과의 통신 채널을 보호한다: 고보안 이중암호화(DCC)와 고성능, 저에너지 누출 암호화(LCC)로 주기적인 키 갱신을 수행한다.
• IoT 및 2.5D 통합 시스템을 위한 고유한 장치 식별 및 액티베이션-어-서비스를 지원하여 신뢰성과 확장성을 향상시킨다.

제안 방법

• 각 칩마다 고유하고 예측 불가능한 비밀 키를 생성하기 위해 PUF(물리적으로 불복제 가능한 기능)를 사용하여 하드코딩된 비밀 키를 제거한다.
• 난수 생성기(TRNG)를 사용해 PRNG(가짜 난수 생성기)를 시드하여 동적 세션 키를 생성함으로써 예측 불가능성을 확보한다.
• 두 가지 안전한 통신 모드를 구현한다: 고보안 키 및 데이터 교환을 위한 DCC(이중암호화 통신), 고처리량, 저에너지 전송을 위한 LCC(저통신비용).
• 공개 키 암호화를 통합하여 PUF 반응 읽기 과정을 보호함으로써 소프트웨어 기반 키 추출 공격을 방지한다.
• 두 가지 배포 모델을 지원하도록 아키텍처를 설계한다: R-COMA(외부에 키를 저장한 원격 활성화), 2.5D-COMA(키 관리를 위한 신뢰할 수 있는 칩 패키지 내부).
• 사이드 채널 공격(SCA)에 대한 강화를 위해 기밀 키 암호화를 보호된, 짧은 수명의 연산으로 제한하고, 각 세션에서 공개 키 암호화를 오직 한 번만 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 없는 칩에 저장하지 않고도 가로막기 해제 키를 어떻게 안전하게 관리할 수 있는가?
• RQ2 동일한 장치라도 각 활성화 시마다 고유하고 변경되는 활성화 키를 보장하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 신뢰할 수 없는 칩과 키 관리 시스템 간의 통신을 도청 및 변조로부터 어떻게 보호할 수 있는가?
• RQ4 키 관리 아키텍처에서 이중 모드 암호화(DCC 및 LCC)를 사용할 경우 성능 및 면적의 상호 교환 관계는 어떻게 되는가?
• RQ5 COMA는 FORTIS와 같은 기존 솔루션에 비해 보안성, 확장성, 사이드 채널 및 결함 공격에 대한 저항성 측면에서 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• COMA는 FORTIS 대비 면적 오버헤드를 14% 감소시켰으며, 경량형 COMA2 버전은 단지 8.7K 게이트를 사용하여 Virtex-7와 같은 큰 벤치마크에서 0.43%의 면적 오버헤드를 달성한다.
• DCC 모드는 이중 암호화와 AEAD를 통해 초고보안을 제공하지만, 초기화 단계에서 AEAD 및 PRNG 연산으로 인해 높은 에너지 소비를 유발한다.
• LCC 모드는 초기화 이후 메시지 교환에 대해 상당히 낮은 에너지 소비를 달성하며, AEAD 및 PRNG 의존도가 감소함에 따라 DCC보다 훨씬 느린 속도로 에너지 소비가 증가한다.
• COMA는 PUF 기반 키 생성을 통해 고유한 칩 인증을 가능하게 하여, FORTIS에서 관찰된 키 중복 또는 소프트웨어 기반 키 위조 위험을 제거한다.
• COMA는 사이드 채널 및 결함 공격에 강건하다: 기밀 키가 재사용되지 않으며, PUF 건강 점검을 통해 PUF를 결정적 함수로 교체하려는 尝시를 탐지할 수 있다.
• COMA는 원격으로 on-demand 키 전달이 가능하고 영구적인 키 저장 없이도 액티베이션-어-서비스를 지원함으로써 IoT 및 2.5D 시스템에서 보안성과 운영의 유연성을 향상시킨다.