[논문 리뷰] Modeling Attack Resilient Reconfigurable Latent Obfuscation Technique for PUF based Lightweight Authentication

Yansong Gao, Said F. Al-Sarawi외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 20.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 24인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 PUF 기반 경량 인증을 위한 재구성 가능한 잠재적 왜곡 기법인 OB-PUF를 제안한다. 이 기법은 일회용 패딩 역할을 하는 동적 재구성 가능한 은닉 패턴 벡터를 통해 강력한 CMA-ES 모델링 공격에 대한 저항력을 향상시킨다. 이 방법은 도전과 응답 간 관계를 모두 은폐하여 보안을 해치지 않은 채 무제한의 인증 라운드를 가능하게 하며, 광범위한 평가를 통해 최신 모델링 공격에 대해 강력한 내성을 입증한다.

ABSTRACT

Physical unclonable functions (PUFs), as hardware security primitives, exploit manufacturing randomness to extract hardware instance-specific secrets. One of most popular structures is time-delay based Arbiter PUF attributing to large number of challenge response pairs (CRPs) yielded and its compact realization. However, modeling building attacks threaten most variants of APUFs that are usually employed for strong PUF-oriented application---lightweight authentication---without reliance on the securely stored digital secrets based standard cryptographic protocols. In this paper, we investigate a reconfigurable latent obfuscation technique endowed PUF construction, coined as OB-PUF, to maintain the security of elementary PUF CRPs enabled authentication where a CRP is never used more than once. The obfuscation---determined by said random patterns---conceals and distorts the relationship between challenge-response pairs capable of thwarting a model building adversary needing to know the exact relationship between challenges and responses. A bit further, the obfuscation is hidden and reconfigured on demand, in other words, the patterns are not only invisible but also act as one-time pads that are only employed once per authentication around and then discarded. As a consequence, the OB-PUF demonstrates significant resistance to the recent revealed powerful Evaluation Strategy (ES) based modeling attacks where the direct relationship between challenge and response is even not a must. The OB-PUF's uniqueness and reliability metrics are also systematically studied followed by formal authentication capability evaluations.

연구 동기 및 목표

• 경량 인증 시스템에서 고도의 모델링 공격, 특히 CMA-ES에 취약한 전통적 PUF의 취약성을 해결하기 위해.
• 이전 연구들([12] 등)에서 요구한 것처럼 인증 라운드 수를 제한할 필요 없이 강력한 보안을 유지하기 위해.
• 동적이고 일회용 왜곡 패턴을 통해 진정한 도전-응답 관계를 숨기도록 PUF 구조를 설계하기 위해.
• OB-PUF가 알려진 가장 강력한 모델링 공격, 특히 해밍 무게 및 응답 신뢰성 기반 공격에 대해 얼마나 견딜 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• OB-PUF는 도전과 응답을 모두 왜곡하기 위해 임의로 생성된 패턴 벡터를 사용하며, 이로써 진정한 관계가 은폐된다.
• 왜곡 패턴은 각 인증 세션마다 재구성되며 일회용 패드 역할을 하여 절대 재사용되지 않는다.
• 도전 왜곡은 입력 도전을 선택된 패턴 벡터와 XOR하여 적용되며, 응답 왜곡은 해밍 무게를 균형 있게 조절하여 피트니스 기반 공격에 저항한다.
• 서버 보조 인증 프로토콜을 통해 신뢰할 수 있는 서버는 현재 왜곡 패턴에 대한 지식을 바탕으로 응답을 검증할 수 있으며, 기기에서는 사용 후 패턴을 폐기한다.
• 재구성 가능한 블록을 사용해 패턴 벡터를 통해 여러 APUF 인스턴스 중에서 선택함으로써, 모델링 공격자에게 더 높은 복잡성을 제공한다.
• 이 방법은 다양한 설정에서 CMA-ES 공격을 대상으로 공식적으로 평가되며, 보안은 해밍 무게 및 신뢰성 기반 피트니스 함수를 통해 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PUF 기반 인증 시스템이 인증 라운드 수 제한 없이 CMA-ES 모델링 공격에 강력한 보안을 유지할 수 있는가?
• RQ2 응답 왜곡이 CMA-ES 공격에서 사용되는 해밍 무게 기반 피트니스 함수를 얼마나 효과적으로 무력화하는가?
• RQ3 왜곡 패턴의 동적 재구성이 반복 관찰을 통해 공격자가 기반 도전-응답 매핑을 학습하는 것을 방지할 수 있는가?
• RQ4 패턴 벡터 블록 내 APUF 수를 늘일 경우, 모델링 공격자의 성공률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 동일 조건에서 OB-PUF의 신뢰성과 유일성은 표준 APUF와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• OB-PUF는 직접적인 도전-응답 관계가 필요하지 않은 경우에도 은폐되고 재구성 가능한 왜곡 패턴 덕분에 CMA-ES 공격에 상당한 저항력을 보인다.
• 왜곡된 응답의 해밍 무게가 균형을 이루므로, 해밍 무게 기반 피트니스 함수 공격의 가능성이 효과적으로 제거된다.
• 응답 왜곡은 신뢰성 기반 CMA-ES 공격을 방지한다. 왜냐하면 공격자가 전체 도전 특징를 모른다면 정확한 응답 신뢰성을 판단할 수 없기 때문이다.
• 이 시스템은 이전 연구들에서 모델링을 방지하기 위해 레이트 제한이 필요했던 것과 달리 무제한의 인증 라운드를 지원한다.
• XOR 블록 내 APUF 수를 늘릴수록(예: p=4, m=18), 공격자가 모든 패턴 벡터를 정확히 예측할 능력이 기하급수적으로 감소한다.
• 공식 평가 결과, OB-PUF는 높은 유일성과 신뢰성을 유지하며, 인증 시나리오에서 낮은 오류 수용률과 오류 거부률을 보였다.