[논문 리뷰] Programmable RO (PRO): A Multipurpose Countermeasure against Side-channel and Fault Injection Attack

Yuan Yao, Pantea Kiaei외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Cryptographic Implementations and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 활성 사이드 채널 공격 방지 및 실시간 결함 주입 탐지 기능을 동시에 제공하는 저비용, 다용도 하드웨어 원천인 프로그래머블 링 오실레이터(PRO)를 제안한다. 동적으로 진동 주파수를 변화시켜 전력 노이즈를 주입하고, 내장된 PRO 어레이를 통해 주파수 이탈을 모니터링하여 전자기 및 전력 글리치 결함을 탐지하며, 전력 기반 사이드 채널 누출을 크게 감소시킨다. FPGA 프로토타입에서 100%의 결함 탐지 정확도로 검증되었다.

ABSTRACT

Side-channel and fault injection attacks reveal secret information by monitoring or manipulating the physical effects of computations involving secret variables. Circuit-level countermeasures help to deter these attacks, and traditionally such countermeasures have been developed for each attack vector separately. We demonstrate a multipurpose ring oscillator design - Programmable Ring Oscillator (PRO) to address both fault attacks and side-channel attacks in a generic, application-independent manner. PRO, as an integrated primitive, can provide on-chip side-channel resistance, power monitoring, and fault detection capabilities to a secure design. We present a grid of PROs monitoring the on-chip power network to detect anomalies. Such power anomalies may be caused by external factors such as electromagnetic fault injection and power glitches, as well as by internal factors such as hardware Trojans. By monitoring the frequency of the ring oscillators, we are able to detect the on-chip power anomaly in time as well as in location. Moreover, we show that the PROs can also inject a random noise pattern into a design's power consumption. By randomly switching the frequency of a ring oscillator, the resulting power-noise pattern significantly reduces the power-based side-channel leakage of a cipher. We discuss the design of PRO and present measurement results on a Xilinx Spartan-6 FPGA prototype, and we show that side-channel and fault vulnerabilities can be addressed at a low cost by introducing PRO to the design. We conclude that PRO can serve as an application-independent, multipurpose countermeasure.

연구 동기 및 목표

• 사이드 채널 공격과 결함 주입 공격을 동시에 방어할 수 있는 일반적이고 저비용의 회로 수준의 대응 조치가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 전자기, 전력, 또는 내부 결함 주입으로 인한 전력 네트워크 이상 현상을 응용 프로그램에 관계없이 내장된 방식으로 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하기 위해.
• 프로그래머블 주파수 변조를 통한 활성 노이즈 주입을 통해 전력 기반 사이드 채널 누출을 감소시키기 위해.
• 온칩 전력 동역학의 공간적 및 시간적 커버리지를 확보하기 위해 PRO 어레이를 활용한 확장 가능한 실시간 보안 모니터링 네트워크를 개발하기 위해.
• PRO의 실현 가능성과 효과성을 실질적인 FPGA 기반 프로토타입을 통해 입증하고, 탐지 및 마스킹 성능을 측정 가능한 방식으로 보여주기 위해.

제안 방법

• 사용자가 제어할 수 있는 진동 주파수를 갖춘 프로그래머블 링 오실레이터(PRO)를 설계하여 회로에 무작위 전력 노이즈를 주입하기 위해.
• PRO의 카운터 값 읽기 기반으로 내장된 PRO들을 전력 센서로 활용하여 실시간 주파수 변화를 추론하고 전력 이상을 감지하기 위해.
• FPGA 플로어플랜 전역에 36개의 PRO를 격자형으로 배치하여 전력 분포 네트워크(PDN)의 변동을 공간적으로 해상도를 높여 모니터링할 수 있도록 하기 위해.
• UART를 통한 실시간 카운터 모니터링을 구현하여 결함 주입으로 인한 비정상적인 주파수 이탈 또는 카운터 오버플로우를 탐지하기 위해.
• PRO를 보안 설계 내부에 통합하여 전력 소비 패턴을 무작위화함으로써 사이드 채널 누출을 마스킹하기 위해.
• 기준 카운터와 주파수 계산을 사용하여 정밀하고 지속적인 PRO 동작 모니터링을 정상 상태 및 공격 상태 모두에서 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일의 프로그래머블 하드웨어 원천이 저면적 및 저전력 오버헤드로써 사이드 채널 공격과 결함 주입 공격을 동시에 효과적으로 방어할 수 있는가?
• RQ2 링 오실레이터의 동적 주파수 변조가 암호 회로에서 전력 기반 사이드 채널 누출을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 PRO 어레이가 PDN에서 전자기 결함 주입 및 전력 글리치를 실시간으로 공간적으로 국소화하여 탐지할 수 있는가?
• RQ4 PRO 카운터는 결함 주입 공격 중 주파수 이탈 또는 카운터 오버플로우와 같은 결함 유도 이상 현상을 어느 정도 정확하게 탐지할 수 있는가?
• RQ5 PRO 기반 모니터링 네트워크는 SoC와 같은 더 큰 시스템에 통합되어 런타임 보안을 위한 종합적인 보안 기능을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• PRO 설계는 무작위 주파수 노이즈 주입을 통해 사이드 채널 누출을 성공적으로 마스킹하여 전력 기반 사이드 채널 정보 누출을 크게 감소시켰다.
• PRO 어레이가 전자기 결함 주입(EMFI) 공격에 대해 100%의 탐지율을 달성하였으며, 주파수 이탈 및 카운터 오버플로우 이벤트가 명확히 관측되었다.
• EMFI 공격 중 36개의 PRO 중 32개에서 주파수 분포 이탈이 일관되게 관측되었으며, RO-23에서 RO-27, RO-31에서 RO-36까지의 PRO들은 결함 주입 시 ~4.08×10⁷ MHz 수준으로 극단적인 카운터 값 점프를 보였다.
• PRO 기반 모니터링 네트워크는 온칩 전력 이상 현상에 대해 시간적 및 공간적 커버리지를 제공하여 플로어플랜의 특정 위치(예: 위치-3)에서 결함을 탐지할 수 있었다.
• 프로토타입은 단일 PRO 아키텍처가 면적과 전력 오버헤드를 최소화하면서도 사이드 채널 방지 조치와 결함 탐지 기능을 동시에 수행할 수 있음을 입증하였다.
• 이 방법은 실시간으로 사용자 제어가 가능한 PRO 모니터링 및 설정을 가능하게 하여 복잡한 SoC 설계에 통합되어 런타임 보안을 지원할 수 있다.