[논문 리뷰] Oops..! I Glitched It Again! How to Multi-Glitch the Glitching-Protections on ARM TrustZone-M
이 논문은 단일 트리거 신호를 사용하여 다수의 조율된 전압 결함을 주입할 수 있는 최초의 전압 결함 주입 플랫폼인 $\mu$-Glitch를 제시한다. 이는 결함 파rameter 탐색 복잡도를 크게 감소시킨다. 연구는 네 종류의 ARM TrustZone-M 칩에서 다중 결함 주입을 성공적으로 구현하였으며, 약 일주일 내로 연속으로 네 번의 결함을 발생시켰다. 이는 단일 결함을 대비한 지시문 수준의 결함 주입 방어 기법을 효과적으로 우회한 것이다.
Voltage Fault Injection (VFI), also known as power glitching, has proven to be a severe threat to real-world systems. In VFI attacks, the adversary disturbs the power-supply of the target-device forcing the device to illegitimate behavior. Various countermeasures have been proposed to address different types of fault injection attacks at different abstraction layers, either requiring to modify the underlying hardware or software/firmware at the machine instruction level. Moreover, only recently, individual chip manufacturers have started to respond to this threat by integrating countermeasures in their products. Generally, these countermeasures aim at protecting against single fault injection (SFI) attacks, since Multiple Fault Injection (MFI) is believed to be challenging and sometimes even impractical. In this paper, we present μ-Glitch, the first Voltage Fault Injection (VFI) platform which is capable of injecting multiple, coordinated voltage faults into a target device, requiring only a single trigger signal. We provide a novel flow for Multiple Voltage Fault Injection (MVFI) attacks to significantly reduce the search complexity for fault parameters, as the search space increases exponentially with each additional fault injection. We evaluate and showcase the effectiveness and practicality of our attack platform on four real-world chips, featuring TrustZone-M: The first two have interdependent backchecking mechanisms, while the second two have additionally integrated countermeasures against fault injection. Our evaluation revealed that μ-Glitch can successfully inject four consecutive faults within an average time of one day. Finally, we discuss potential countermeasures to mitigate VFI attacks and additionally propose two novel attack scenarios for MVFI.
연구 동기 및 목표
- 현대 하드웨어 방어 기법의 맥락에서 다수의 전압 결함 주입(MVFI) 공격을 위한 실용적인 도구 부족 문제를 해결하기 위해.
- MVFI에서 다수의 결함 파arameter 탐색 공간이 기하급수적으로 증가하는 문제를 해결하기 위해 효율적인 파arameter 탐색 알고리즘을 설계하기 위해.
- 상호 의존적인 되돌이 검증 및 결함 주입 방지 기법을 갖춘 실제 ARM TrustZone-M 마이크로컨트롤러에 대해 MVFI의 실현 가능성과 효율성을 입증하기 위해.
- 기존의 SFI 중심 방어 기법이 조율된 다중 결함 공격에 대해 부적절하다는 것을 드러내기 위해.
- 안전한 임베디드 시스템에서 MVFI를 위한 새로운 공격 시나리오와 방어 기법을 제안하기 위해.
제안 방법
- 단일 트리거 신호로 정밀하게 타이밍 조절된 다수의 전압 결함을 주입할 수 있는 맞춤형 하드웨어 플랫폼인 $\mu$-Glitch의 설계 및 구현.
- 다수의 결함 파arameter 탐색의 기하급수적 복잡도를 감소시키는 새로운 효율적 파arameter 탐색 알고리즘 개발.
- 단일 펌웨어 실행 동안 다수의 결함 주입을 조율하기 위한 트리거 기반 동기화 메커니즘 통합.
- 상호 의존적인 되돌이 검증 및 전용 결함 주입 방지 기능을 갖춘 네 대의 실제 ARM TrustZone-M MCU에서 $\mu$-Glitch 평가.
- 특정 순차 지시문 지점에 결함을 주입함으로써 LPC55SXX 및 RT6XX MCU와 같은 지시문 수준 보호 기능을 공격하기 위해 공격 플로우를 적응 조정.
- 소프트웨어 기반 결함 보호 메커니즘의 취약점을 악용하기 위해 지시문 건너뛰기 중심의 결함 모델 사용.
실험 결과
연구 질문
- RQ1단일 트리거 신호만을 사용하여 조율되고 순차적인 다수의 전압 결함 주입을 가능하게 하는 실용적이고 저비용 플랫폼을 구축할 수 있는가?
- RQ2다수의 결함 파arameter 탐색 공간이 기하급수적으로 증가하는 상황에서, MVFI를 실용적으로 가능하게 하기 위해 어떻게 효율적으로 탐색 공간을 탐색할 수 있는가?
- RQ3기존의 SFI 중심 소프트웨어 및 하드웨어 방어 기법은 ARM TrustZone-M 시스템에서 조율된 MVFI 공격을 통해 어느 정도 우회될 수 있는가?
- RQ4복잡하고 상호 의존적인 결함 보호 기법을 갖춘 실제 MCU를 대상으로 MVFI를 수행할 때의 실용적 제약 조건과 성공률는 어떠한가?
- RQ5조율된 MVFI가 가능해지면서 나타나는 새로운 공격 시나리오는 무엇이며, 기존의 결함 주입 내성에 대한 전통적 가정을 어떻게 뒤엎는가?
주요 결과
- $\mu$-Glitch는 평균 약 일주일 내로 ARM TrustZone-M 마이크로컨트롤러에 네 번의 연속된 전압 결함을 성공적으로 주입하여 MVFI의 실현 가능성을 입증하였다.
- 플랫폼은 단일 트리거 신호만으로도 조율된 결함 주입을 달성하여 이전의 MVFI 도구에서 발생하던 주요 장애 요소를 해결하였다.
- LPC55SXX 및 RT6XX MCU의 지시문 수준 결함 주입 방어 기능은 순차적인 지시문을 공격 대상으로 삼아 우회되었다.
- 연구는 평가된 칩 중 두 개의 상호 의존적 되돌이 검증 메커니즘이 결함 타이밍과 순서를 정교하게 최적화할 경우 여전히 MVFI에 취약하다는 것을 드러냈다.
- 저자들은 기존의 SFI 중심 방어 기법, 특히 지시문 복제 및 내장된 되돌이 검증 기반 기법이 조율된 MVFI에 대해 충분하지 않음을 입증하였다.
- 이 연구는 중요한 위협 표면을 드러내며, 대부분의 현재 방어 기법은 단일 결함 공격을 전제로 하므로, 다중 결함 및 조율된 전압 결함 주입에 매우 노출되어 있음을 시사한다.
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