[논문 리뷰] Ring Oscillator and its application as Physical Unclonable Function (PUF) for Password Management

Alireza Shamsoshoara|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 20.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 라즈베리 파이에 구현된 레지스터 오실레이터를 물리적 복제 불가능 기능(PUF)으로 사용하여 고유하고 예측 불가능한 도전 과제를 생성함으로써, 비용이 저렴하고 하드웨어 기반의 암호 관리 시스템을 제안한다. 라즈베리 파이에 구현된 레지스터 오실레이터의 주파수 변동성을 활용하여 기밀 정보를 저장하지 않고도 장치 고유의 지문을 추출함으로써 안전한 키 유도를 달성하고 비휘발성 메모리에 대한 의존도를 줄였다. 이 방법은 신뢰할 수 있는 주파수 측정과 MATLAB 기반 암호 관리자와의 성공적인 통합을 보여주며, 임베디드 인증 시스템의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Mobile and embedded devices are becoming inevitable parts of our daily routine. Similar to other electronic devices such as read access memory (RAM) and storage, mobile devices require to authenticate and to be authenticated in a secure way. Usually, this can be accomplished by servers which possess private information for all devices. Since these devices are inherently mobile and operating in untrusted environments, they are prone to be accessed by untrustworthy users. Physical unclonable function (PUF) is a unique physical feature of a semiconductor device such as a microprocessor that can be generated from physical conditions such as supply voltage, temperature, etc. Ring oscillators are the principal parts of PUFs that are synthesized on a field-programmable gate array (FPGA) or an application-specific integrated circuit (ASIC). Password manager systems are used in order to keep a database of usernames and password for clients in order for registration and authentication. This table plays a crucial role in authentication in many systems. Hence, security is one of the important features of these systems. Normally, in these tables only usernames and passwords are stored; however, they are vulnerable to many attacks. So, the first method of enhancing the security is using the hash instead of the original data, but, advanced hackers can break these hash data again. Hence, the method that we are going to use in this project is utilizing PUF to store the challenge of each user instead of saving the hash of passwords.

연구 동기 및 목표

• EEPROM나 SRAM과 같은 비휘발성 메모리를 사용하는 기존 암호 저장 방식의 보안성과 비용 제약을 해결하기 위해.
• 반도체 장치의 물리적 변동성을 활용하여 저비용, 배터리가 필요 없고 안전한 고유 장치별 비밀 정보 생성 방법을 개발하기 위해.
• 라즈베리 파이에서 레지스터 오실레이터를 사용하여 실시간 도전-응답 인증을 위한 실용적인 PUF 기반 암호 관리 시스템을 구현하기 위해.
• 레지스터 오실레이터의 주파수 측정이 실제로 PUF 응용 분야에서 신뢰할 수 있고 정확한가를 검증하기 위해.
• TCP/IP 통신과 MATLAB 기반 GUI를 활용하여 PUF를 암호 관리자 시스템과 통합함으로써 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 공정 변동성을 활용하기 위해 CMOS 기술을 사용하여 트anz이터 수준에서 3개의 NOT 게이트와 1개의 NAND 게이트로 구성된 레지스터 오실레이터를 설계하였다.
• 주파수는 공식 $ f(Hz) = \frac{1}{1.38 \cdot R \cdot C \cdot n} $ 를 사용하여 계산되며, 여기서 $ n $ 은 인버터의 수이고 $ R $, $ C $ 는 각 단계의 저항 및 커패시턴스 값이다.
• 주파수 측정은 0.5초 동안 인터럽트 기반 엣지 검출과 펄스 수를 세는 방식으로 라즈베리 파이의 GPIO 핀을 통해 수행되었다.
• 라즈베리 파이의 주파수 측정 결과를 검증하기 위해 로직 분석기를 사용하였으며, 허용 가능한 오차 범위 내에서 높은 일치도를 확인하였다.
• 도전-응답 메커니즘은 사용자 ID와 암호 해시를 XOR하여 16×16 테이블 구조 내의 셀 위치를 결정하며, PUF가 생성한 주파수 값이 도전 값으로 사용된다.
• 컴퓨터(호스트)와 라즈베리 파이(클라이언트) 간의 통신은 TCP/IP 소켓을 통해 수립되어 등록 및 인증을 위한 안전한 데이터 교환을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비휘발성 메모리에 기밀 정보를 저장하지 않고도 레지스터 오실레이터 기반 PUF가 고유하고 예측 불가능한 도전 값 생성을 신뢰성 있게 수행할 수 있는가?
• RQ2 실세계 조건에서 라즈베리 파이가 레지스터 오실레이터의 주파수를 얼마나 정확하게 측정할 수 있으며, 이 측정 결과가 PUF 응용 분야에서 신뢰할 수 있는가?
• RQ3 환경적 변동이 실용적 구현에서 PUF 응답의 안정성과 재현 가능성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 PUF 기반 시스템이 기존의 해시 기반 저장 방식을 대체하기 위해 암호 관리 프레임워크에 효과적으로 통합될 수 있는가?
• RQ5 저비용 오픈소스 플랫폼인 라즈베리 파이를 사용하여 PUF 기반 인증을 구현하는 것이 실현 가능하고 강건한가?

주요 결과

• 라즈베리 파이에 의해 측정된 레지스터 오실레이터는 8개의 라인에서 측정 가능한 주파수 출력을 성공적으로 생성하였으며, 주파수 값은 (136, 46, 26, 14, 204, 66, 394, 56) Hz였다.
• 라즈베리 파이의 주파수 측정 결과는 저가의 로직 분석기와의 비교를 통해 높은 일치도를 보이며 측정 신뢰성을 입증하였다.
• 시스템은 MATLAB 기반 암호 관리자와 성공적으로 통합되어 GUI를 통해 등록, 인증 및 테이블 표시 기능을 지원하였다.
• 행렬이 아닌 구조 기반 테이블을 사용함으로써 공간 복잡도 문제를 피하고 충돌 처리를 첨부 방식으로 구현함으로써 확장성을 향상시켰다.
• PUF가 생성한 주파수를 활용한 도전-응답 메커니즘이 안전한 인증을 성공적으로 구현하였으며, 테스트 중 GUI에서 정확한 응답이 확인되었다.
• 실현 가능성을 입증하기 위해 저비용 하드웨어에서의 구현이 성공하였으며, PUF가 고가의 구성 요소나 비휘발성 메모리 없이도 구현 가능함을 보여주었다.