[논문 리뷰] Insights into the Mind of a Trojan Designer: The Challenge to Integrate a Trojan into the Bitstream

Maik Ender, Pawel Swierczynski외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 01.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 16인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 암호화 핵심의 키 기반 시프트 레지스터를 조작하여 FPGA 비트스트림에 도청 가능한 하드웨어 트로이 목마를 삽입하는 새로운 방법을 제시한다. 이 트로이 목마는 자체 테스트를 우회하고 고정된 백도ored 키로 데이터를 암호화할 수 있다. 공격은 역공학적 비트스트림 분석과 LUT를 통한 하드웨어 오버클러션을 이용하며, 부분적인 비트스트림 노출만으로도 효과적이고 탐지되지 않는 위협을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The threat of inserting hardware Trojans during the design, production, or in-field poses a danger for integrated circuits in real-world applications. A particular critical case of hardware Trojans is the malicious manipulation of third-party FPGA configurations. In addition to attack vectors during the design process, FPGAs can be infiltrated in a non-invasive manner after shipment through alterations of the bitstream. First, we present an improved methodology for bitstream file format reversing. Second, we introduce a novel idea for Trojan insertion.

연구 동기 및 목표

• 완전한 설계 접근 권한 없이도 FPGA 비트스트림에 하드웨어 트로이 목마를 삽입하는 것이 가능한지 조사하기 위해.
• 비트스트림 역공학 기술을 향상시켜 키 레지스터와 같은 핵심 하드웨어 구성 요소를 식별하는 데 목적이 있다.
• 부분적인 비트스트림 노출이 효과적이고 도청 가능한 하드웨어 트로이 목마를 가능하게 할 수 있는지 입증하기 위해.
• 자기 보호 기능을 갖춘 암호 모듈에 이러한 공격이 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 비트스트림 수준의 하드웨어 조작에 대비한 더 강력한 방어 메커니즘이 필요하다는 점을 강조하기 위해.

제안 방법

• 저자는 간소화된 루팅 추출 방법을 사용하여 FPGA 비트스트림을 역공학적으로 분석하고, AES 코어 내 키 레지스터를 식별하는 데 집중한다.
• 기존의 평문/암호문 쌍을 시뮬레이션하고 출력 변화를 상관관계 분석함으로써, 시프트 레지스터를 특정 키 비트 위치에 매핑한다.
• 트로이 목마는 키 입력을 플립플롭에서 분리하고, 고정된 키 값을 출력하는 프로그래머블 LUT로 대체함으로써 삽입된다.
• 128개의 키 비트 각각은 고유한 LUT에 의해 제어되며, 백도ored 키에 따라 0 또는 1을 출력하도록 구성된다.
• 포드는 RS232 인터페이스를 통해 구성 중에 백도ored 키를 설정할 수 있도록 활성화된다.
• 자기 테스트 동안 공격은 탐지되지 않으며, 오직 하나의 고정된 키만 검증되기 때문이며, 사용자 데이터는 백도ored 키로 암호화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적인 비트스트림 역공학만으로도 효과적으로 FPGA 비트스트림에 하드웨어 트로이 목마를 삽입할 수 있는가?
• RQ2 키 기반 시프트 레지스터는 암호 코어에 도청 가능한 백도어를 만들기 위해 얼마나 효과적으로 이용될 수 있는가?
• RQ3 대상 비트스트림 조작을 통해 자기 보호 기능이 있는 AES 코어의 자체 테스트 메커니즘을 우회할 수 있는가?
• RQ4 LUT를 이용한 비트스트림 수준의 오버클러션은 도청성과 기능 유지에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 부분적인 비트스트림 노출이 하드웨어 보안에 실질적인 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 저자는 시뮬레이션과 알려진 평문/암호문 쌍을 활용하여 고정밀도로 AES 키 비트 처리에 책임이 있는 레지스터를 비트스트림에서 역공학적으로 식별했다.
• 트로이 목마는 플립플롭의 키 입력 신호를 구성 가능한 LUT로 대체함으로써 백도ored 키에 대한 완전한 제어를 가능하게 하였다.
• 자기 테스트 동안 공격은 탐지되지 않으며, 오직 하나의 고정된 키만 검증되기 때문이며, 사용자 데이터는 백도ored 키로 암호화된다.
• 이 방법은 완전한 설계 지식에 의존하지 않으며, 부분적인 비트스트림 접근만으로도 충분하여 공격 표면을 크게 줄였다.
• 연구는 복잡한 암호 모듈에 대해서도 비트스트림 역공학이 이전에 상상한 것보다 훨씬 더 실현 가능하다는 것을 입증했다.
• 결과는 자기 보호 기능이 있는 암호 코어가 대상 비트스트림 조작에 매우 취약하며, 향후 오버클러션 및 검증 기법의 개선이 필요하다는 점을 강조한다.