[논문 리뷰] Formally Verified Hardware/Software Co-Design for Remote Attestation

Ivan De Oliveira Nunes, Karim Eldefrawy외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 01.

Security and Verification in Computing참고 문헌 44인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 저전력 임베디드 시스템에서 원격 인증을 위한 첫 번째 공식적으로 검증된 하드웨어/소프트웨어 공동 설계인 VRASED를 제안한다. 공식적으로 검증된 HMAC 구현과 검증된 하드웨어 설계를 조합함으로써, 최소한의 하드웨어 오버헤드로 종단 간 보안 성질을 보장하며, 검증된 공동 설계 프레임워크 내에서 기계로 검증된 증명을 통해 정확성을 확보한다.

ABSTRACT

In this work, we take the first step towards formal verification of Remote Attestation (RA) by designing and verifying an architecture called VRASED: Verifiable Remote Attestation for Simple Embedded Devices. VRASED instantiates a hybrid (HW/SW) RA co-design aimed at low-end embedded systems, e.g., simple IoT devices. VRASED provides a level of security comparable to HW-based approaches, while relying on SW to minimize additional HW costs. Since security properties must be jointly guaranteed by HW and SW, verification is a challenging task, which has never been attempted before in the context of RA. We believe that VRASED is the first formally verified RA scheme. To the best of our knowledge, it is also the first formal verification of a HW/SW implementation of any security service. To demonstrate VRASED's practicality and low overhead, we instantiate and evaluate it on a commodity platform (TI MSP430). VRASED's publicly available implementation was deployed on the Basys3 FPGA.

연구 동기 및 목표

• 저전력 임베디드 장치를 위한 원격 인증(RA) 시스템에서 공식적 검증의 부족을 해결하기 위해.
• 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 함께 검증하는 공식적 검증된 하이브리드 RA 아키텍처의 격차를 메우기 위해.
• 자원이 제한된 사물인터넷 기기에서 사용 가능한 최소화되고 효율적인 RA 시스템을 설계하여 공식적으로 보장된 보안 성질을 확보하기 위해.
• TI MSP430 및 Basys3 FPGA와 같은 일반적인 플랫폼에 VRASED를 구현하고 검증하여 실용성을 입증하기 위해.
• 보안 서비스의 공식적 검증을 위한 하드웨어/소프트웨어 공동 설계 방법론을 수립하여 향후 연구에 전례를 마련하기 위해.

제안 방법

• 암호학적 무결성을 위해 공식적으로 검증된 HMAC 구현(HACL*)을 활용하는 하이브리드 하드웨어/소프트웨어 공동 설계로서 VRASED를 설계하기 위해.
• Isabelle/HOL 정리증명기에서의 공식적 사양 및 검증을 통해, 저수준 하드웨어 동작에서 종단 간 RA 보안 성질에 이르기까지 전체 스택을 검증하기 위해.
• 하드웨어-소프트웨어 상호작용에 대한 공식적 추론을 가능하게 하기 위해, MSP430 마이크로컨트롤러의 동작을 공리와 LTL 사양으로 모델링하기 위해.
• 모든 실행 경로에서 정상적인 동작을 보장하기 위해, 형식적 방법을 사용하여 Verilog로 하드웨어 설계를 검증하기 위해.
• 검증된 소프트웨어 및 하드웨어 구성 요소를 통합하여 완전한 종단 간 검증된 RA 프로토콜을 구성하기 위해.
• 실용성과 낮은 오버헤드를 입증하기 위해, 검증된 구현을 TI MSP430과 Basys3 FPGA에 배포하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 하드웨어/소프트웨어 공동 설계로 구성된 원격 인증에 대해, 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 모두 포함해 기초부터 공식적으로 검증할 수 있는가?
• RQ2 저전력 임베디드 시스템에서 공식적으로 검증된 원격 인증을 달성하기 위해 필요한 최소한의 하드웨어 및 소프트웨어 오버헤드는 얼마인가?
• RQ3 형식적 검증 기법은 공동 설계된 RA 시스템에서 무결성 및 기밀성과 같은 보안 성질이 유지되는지 보장하기 위해 어떻게 적용될 수 있는가?
• RQ4 공식적으로 검증된 RA 시스템은 TI MSP430과 같은 일반적인 저전력 플랫폼에 실용적으로 구현될 수 있는가?
• RQ5 비검증된 대안 대비 공식적으로 검증된 RA 시스템의 성능 및 자원 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• VRASED는 모든 신뢰할 수 있는 구성 요소—하드웨어, 소프트웨어, 그리고 그 조합—이 기계로 검증된 증명을 통해 검증된 첫 번째 공식적으로 검증된 원격 인증 체계이다.
• VRASED의 하드웨어 오버헤드는 매우 미미하여, Basys3 FPGA에서 추가로 0.8%의 LUT과 0.5%의 레지스터만을 요구한다.
• 4KB 메모리에 대한 총 인증 시간은 360만 개의 CPU 사이클이며, SMART(920만 사이클)를 능가하고 SANCUS(130만 사이클)에 근접한다.
• 검증된 소프트웨어 구성 요소는 공식적으로 검증된 암호 라이브러리인 HACL*를 사용하여 HMAC 계산의 정확성을 보장한다.
• 구현은 성공적으로 MSP430과 Basys3 FPGA에 배포되어 실용성과 낮은 자원 소비를 입증했다.
• 형식적 검증은 이전 설계에서 알려지지 않은 취약점을 드러내었으며, 예를 들어 SMART의 인터럽트 비활성화의 비원자성 문제를 확인하여 검증의 가치를 입증했다.