[논문 리뷰] Encrypt Flip-Flop: A Novel Logic Encryption Technique For Sequential Circuits

Rajit Karmakar, Santanu Chattopadhyay외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 15.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 17인용 수 65

한 줄 요약

논문은 Encrypt Flip-Flop를 소개하는데, 이는 MUX 기반 로직 암호화로 플립플롭 출력 보호하여 스캔 기반, SAT 및 기타 공격을 저오버헤드로 차단하며 ISCAS’89 및 ITC’99 벤치마크에서 검증된다.

ABSTRACT

Logic Encryption is one of the most popular hardware security techniques which can prevent IP piracy and illegal IC overproduction. It introduces obfuscation by inserting some extra hardware into a design to hide its functionality from unauthorized users. Correct functionality of an encrypted design depends upon the application of correct keys, shared only with the authorized users. In the recent past, extensive efforts have been devoted in extracting the secret key of an encrypted design. At the same time, several countermeasures have also been proposed by the research community to thwart different state-of-the-art attacks on logic encryption. However, most of the proposed countermeasures fail to prevent the powerful SAT attack. Although a few researchers have proposed different solutions to withstand SAT attack, those solutions suffer from several drawbacks such as high design overheads, low output corruptibility, and vulnerability against removal attack. Almost all the known logic encryption strategies are vulnerable to scan based attack. In this paper, we propose a novel encryption technique called Encrypt Flip-Flop, which encrypts the outputs of selected flip-flops by inserting multiplexers (MUX). The proposed strategy can thwart all the known attacks including SAT and scan based attacks. The scheme has low design overhead and implementation complexity. Experimental results on several ISCAS'89 and ITC'99 benchmarks show that our proposed method can produce reasonable output corruption for wrong keys.

연구 동기 및 목표

• 아웃소싱 IC 제조에서 IP 도용 및 과잉 생산을 방지하기 위한 보안 로직 암호화의 필요성에 대한 동기를 제시한다.
• 스캔 체인을 통한 정보 누출을 억제하기 위한 플립플롭 출력 암호화 전략을 제안한다.
• 저오버헤드로 다수의 공격(스캔 기반, SAT 기반, 경로 민감화, 로직 콘 기반)으로부터 보호를 달성한다.
• 출력으로의 누출을 최소화하면서 보안을 극대화하는 실용적인 플립플롭 선택 절차를 제공한다.

제안 방법

• 선택된 플립플롭 출력 앞에 MUX 기반 키 게이트를 삽입하여 Q 및/또는 not-Q 경로를 흐림한다.
• ICOD 기반 중첩(overlap) 분석을 통해 암호화 대상 플립플롭을 선택하여 영향을 받는 각 출력에 모든 키 게이트가 포함되도록 한다.
• 추가 하드웨어를 MUX 외에는 추가하지 않는다; 보호는 Q/ not-Q 신호의 위치 및 트래픽의 신중한 배치에 의존한다.
• 스캔 체인을 통해 정보 누출을 제한하기 위해 플립플롭 출력을 암호화 단위로 취급한다.
• 보안 배치를 위한 플립플롭 선택 알고리즘(Algorithm 2)을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Encrypt Flip-Flop가 스캔 체인을 통한 누출을 방지하고 일반 로직 암호화 공격에 저항할 수 있는가?
• RQ2 보안을 극대화하고 오버헤드를 최소화하기 위해 암호화 대상 플립플롭을 어떻게 선택해야 하는가?
• RQ3 추가 하드웨어 없이 SAT 기반 및 경로 민감화(attacks) 공격을 저지할 수 있는가?
• RQ4 실제 적용에서 로직 콘, 힐 클라이밍 등 널리 논의되는 공격에 대한 보안에 어떤 영향이 있는가?

주요 결과

• Encrypt Flip-Flop은 MUX 기반 키 게이트로 플립플롭 출력을 암호화하고 신중한 플립플롭 선택으로 보호를 달성한다.
• 선택 전략은 영향을 받는 각 출력에 모든 키 게이트가 포함되도록 하여 로직 콘 공격의 무차별 대입 이점을 제한한다.
• 스캔 기반 공격 맥락은 스캔 체인이 키 정보를 누설하지 못하고 제어 가능성/관측 가능성이 제한되므로 완화된다.
• 이전 방식과 비교했을 때 설계 오버헤드가 낮고 추가 보안 하드웨어 없이 여러 공격에 대한 내성이 있다고 주장된다.
• ISCAS’89 및 ITC’99 벤치마크에 대한 실험 결과가 접근 방식의 타당성과 보안 이점을 나타낸다.