[논문 리뷰] Dynamic FPGA Detection and Protection of Hardware Trojan: A Comparative Analysis

Amr Alanwar, Mona A. Aboelnaga외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 03.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 황금 기준 설계가 필요 없이 런타임 감지 및 보호 메커니즘을 통해 FPGA 내 하드웨어 트로이 목재를 탐지하고 보호하는 방법을 제안한다. 동적 부분 재구성과 런타임 모니터링을 활용하며, 간단한 방법은 거의 영향을 주지 않지만, 고급 기법은 지연과 전력 소비 증가를 수반하지만 실현 가능성을 FPGA 구현을 통해 입증한다.

ABSTRACT

Hardware Trojan detection and protection is becoming more crucial as more untrusted third parties manufacture many parts of critical systems nowadays. The most common way to detect hardware Trojans is comparing the untrusted design with a golden (trusted) one. However, third-party intellectual properties (IPs) are black boxes with no golden IPs to trust. So, previous attempts to detect hardware Trojans will not work with third-party IPs. In this work, we present novel methods for Trojan protection and detection on field programmable gate arrays (FPGAs) without the need for golden chips. Presented methods work at runtime instead of test time. We provide a wide spectrum of Trojan detection and protection methods. While the simplest methods have low overhead and provide limited protection mechanisms, more sophisticated and costly techniques are introduced that can detect hardware Trojans and even clean up the system from infected IPs. Moreover, we study the cost of using the FPGA partial reconfiguration feature to get rid of infected IPs. In addition, we discuss the possibility to construct IP core certificate authority that maintains a centralized database of unsafe vendors and IPs. We show the practicality of the introduced schemes by implementing the different methodologies on FPGAs. Results show that simple methods present negligible overheads and as we try to increase security the delay and power overheads increase.

연구 동기 및 목표

• 황금 기준 설계가 없는 FPGA 기반 시스템에서 신뢰할 수 없는 제3자 IP 코어의 증가하는 도전 과제를 해결하기 위해.
• 사전에 신뢰할 수 있는 설계가 없는 하드웨어 트로이 목재의 런타임 감지 및 보호 메커니즘을 개발하기 위해.
• 다양한 런타임 보호 기법의 실현 가능성과 성능 상충 관계를 평가하기 위해.
• 부분 재구성을 활용해 운영 중에 감염된 IP 코어를 동적으로 격리하거나 제거하는 방법을 탐색하기 위해.
• 중앙집중식 IP 코어 인증 기관을 제안하여 신뢰할 수 없는 공급업체 및 IP를 추적하고 경고하기 위해.

제안 방법

• 하드웨어 트로이 목재의 징후를 나타내는 이상 징후를 탐지하기 위해 FPGA 행동 서명의 런타임 모니터링을 활용하기 위해.
• 운영 중에 감염 가능성이 있는 IP 코어를 교체하거나 격리하기 위해 동적 부분 재구성을 구현하기 위해.
• 실시간 검증을 위한 최소한의 면적과 전력 소모를 갖춘 경량 런타임 검사 설계하기 위해.
• 기본 모니터링에서 감염 탐지 후 전체 시스템 정리에 이르기까지의 계층적 보호 모델을 도입하기 위해.
• 신뢰할 수 없는 IP 공급업체 및 구성 요소를 추적하고 경고하기 위한 중앙집중식 데이터베이스를 유지하는 데 목적이 있는 인증 기관 프레임워크 제안하기 위해.
• 모든 기법을 실제 FPGA 플랫폼에 구현하고 구현 비용과 효과성을 측정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 황금 기준 설계에 접근할 수 없더라도 런타임에서 하드웨어 트로이 목재를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 다양한 런타임 감지 및 보호 기법의 성능 오버헤드(지연, 전력, 면적)는 어떠한가?
• RQ3 동적 부분 재구성이 운영 중 감염된 IP 코어를 제거하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 중앙집중식 IP 인증 기관은 신뢰할 수 없는 FPGA 생태계에서 신뢰 관리에 기여할 수 있는가?
• RQ5 런타임 보호 기법에서 감지 민감도와 시스템 자원 소비 간의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 간단한 런타임 감지 방법은 면적, 지연, 전력 소모 측면에서 거의 영향을 주지 않는다.
• 보다 정교한 감지 및 정리 기법은 지연과 전력 소모를 증가시키지만, 현대 FPGA에서 여전히 실현 가능하다.
• 동적 부분 재구성은 운영 중에 감염된 IP 코어를 효과적으로 격리하고 교체할 수 있다.
• 제안된 인증 기관 프레임워크는 신뢰할 수 없는 IP 공급업체 및 구성 요소를 추적하고 경고하는 확장 가능한 방법을 제공한다.
• FPGA 플랫폼에서의 실험 결과는 제안된 런타임 보호 기법의 실현 가능성과 효과성을 확인한다.
• 본 연구는 특히 제3자 블랙박스 IP의 경우 황금 기준 설계가 없더라도 런타임 감지가 실현 가능하다는 것을 입증한다.