[논문 리뷰] Physical uncloneable function hardware keys utilizing Kirchhoff-law-Johnson-noise secure key exchange and noise-based logic

László B. Kish, Chiman Kwan|viXra|2013. 05. 12.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 키르히호프 법칙-존슨 노이즈(KLJN) 키 교환과 노이즈 기반 논리(NBL)를 기반으로 한 물리적 불복제 기능(PUF) 하드웨어 키의 새로운 클래스를 제안하며, 복제 불가능하고 동적으로 갱신 가능한 암호화 키를 가능하게 한다. 이는 실시간으로 KLJN를 통해 키를 갱신하고 NBL를 통해 일회용 암호판 보호된 도전/응답을 통해 무조건적 보안을 달성하는 '초강력' PUF를 도입하며, 초기 키를 위한 펌웨어 저항성 비揮성 저장소를 통합한다.

ABSTRACT

Weak physical uncloneable function (WPUF) encryption key means that the manufacturer of the hardware can clone the key but anybody else is unable to so that. Strong physical uncloneable function (SPUF) encryption key means that even the manufacturer of the hardware is unable to clone the key. In this paper, first we introduce a "ultra"-strong PUF with intrinsic dynamical randomness, which is not only not cloneable but it also gets renewed to an independent key (with fresh randomness) during each use via the unconditionally secure key exchange. The solution utilizes the Kirchhoff-law-Johnson-noise (KLJN) method for dynamical key renewal and a one-time-pad secure key for the challenge/response process. The secure key is stored in a flash memory on the chip to provide tamper-resistance and non-volatile storage with zero power requirements in standby mode. Simplified PUF keys are shown: a strong PUF utilizing KLJN protocol during the first run and noise-based logic (NBL) hyperspace vector string verification method for the challenge/response during the rest of its life or until it is re-initialized. Finally, the simplest PUF utilizes NBL without KLJN thus it can be cloned by the manufacturer but not by anybody else.

연구 동기 및 목표

• 제조사에 의한 기존 PUF의 복제 공격에 취약성을 해결하기 위해 물리적으로 복제 불가능한 키 시스템을 제안하는 것.
• 키르히호프 법칙-존슨 노이즈(KLJN) 프로토콜을 사용하여 키 교환 및 저장에 무조건적 보안을 달성하는 것.
• 각 사용 시 마다 동적으로 키를 갱신하여 신선한 난수성을 확보하고 재생 공격을 방지하는 것.
• 손상에 강한 비휘발성 메모리로 키를 안전하게 저장하는 것.
• 물리적 복제 불가능성 수준과 구현 복잡도의 다양성에 따라 초강력에서 단순형까지의 PUF 설계 계층을 탐색하는 것.

제안 방법

• 시스템은 각 키 사용 시 무조건적 보안 키 교환을 수행하기 위해 KLJN 프로토콜을 사용하여 키가 매번 신선한 난수성으로 갱신되도록 보장한다.
• 도전/응답 단계를 보호하기 위해 플래시 메모리에 일회용 암호판 보안 키를 저장하여 비휘발성이고 전력 소모가 없는 저장을 실현한다.
• 노이즈 기반 논리(NBL)는 도전/응답 프로토콜에서 고차원 벡터 문자열 검증에 사용되어 사이드 채널 공격 및 복제 공격에 대한 강건성을 확보한다.
• 초강력 PUF 설계는 KLJN 기반 키 갱신과 NBL 기반 검증을 결합하여 제조사조차도 복제가 불가능하도록 한다.
• 단순화된 변형은 KLJN를 생략하고 도전/응답에만 NBL에 의존하여 제조사에 의해 복제 가능하지만 외부 당사자에 의해 복제 불가능하다.
• 저항기의 내재적 열노이즈를 활용하여 키 생성을 위한 복제 불가능하고 예측 불가능한 물리적 특성을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제조사조차도 키를 복제할 수 없는 물리적 복제 불가능성을 확보할 수 있는 PUF를 설계할 수 있는가?
• RQ2 저항기의 열노이즈를 사용하여 무조건적 보안 키 교환을 달성할 수 있고, 이를 통해 동적으로 키를 갱신할 수 있는가?
• RQ3 노이즈 기반 논리(NBL)를 사용하여 PUF 시스템의 도전/응답 상호작용을 안전하게 검증할 수 있는가?
• RQ4 손상에 강한 비휘발성, 전력 소모가 없는 키 저장소를 PUF 아키텍처에 통합할 수 있는가?
• RQ5 KLJN와 NBL 기반 PUF 설계에서 보안 강도와 구현 복잡도 사이의 상호 교환 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 초강력 PUF는 KLJN 기반 키 교환을 통해 무조건적 보안을 달성하여 매 사용 시 마다 신선한 난수성으로 키가 갱신됨을 보장한다.
• 열노이즈 기반 키 생성의 물리적 복제 불가능성과 도전/응답의 일회용 암호판 보호로 인해 제조사에 의한 복제가 방지된다.
• NBL의 사용은 도전/응답의 안전한 검증과 사이드 채널 공격에 대한 저항력을 향상시켜 물리적 공격에 대한 강건성을 강화한다.
• 플래시 메모리의 통합은 비휘발성, 손상에 강한, 전력 소모가 없는 대기 동작을 보장한다.
• 논문은 초강력(KLJN + NBL)에서 단순형(NBL 전용)까지의 PUF 계층을 실험적으로 구현하여 확장 가능한 보안 및 구현 복잡도의 상호 교환 관계를 제시한다.
• KLJN 프로토콜과 일회용 암호판의 가정 하에 이론적으로 해독 불가능하며 정보 이론적 보안을 제공한다.