[논문 리뷰] SoK: On the Security Challenges and Risks of Multi-Tenant FPGAs in the Cloud

Shaza Zeitouni, Ghada Dessouky외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 29.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 62인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 클라우드 환경에 구현된 다중 테넌트 FPGA에서의 보안 및 프라이버시 도전 과제를 조사한다. 주로 부분 재구성을 통해 동일한 FPGA 패브릭을 여러 신뢰할 수 없는 클라이언트가 공유하는 공간적 다중 테넌시에 초점을 맞춘다. 연구는 공유된 물리적 자원으로 인해 원격으로 악용 가능한 물리적 공격—예: 사이드카 테널, 결함 주입, DoS 공격—이 가능하다는 점을 밝히며, 이러한 공격은 더 넓은 범위의 해결되지 않은 보안 과제, 즉 IP 보호, 안전한 비트스트림 전송, 키 관리 등에 대한 하나의 차원에 불과하다고 주장한다. 따라서 FPGA 기반 클라우드 컴퓨팅의 종단 간 신뢰를 확보하기 위해 통합적이고 협업적인 연구가 필요하다.

ABSTRACT

In their continuous growth and penetration into new markets, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have recently made their way into hardware acceleration of machine learning among other specialized compute-intensive services in cloud data centers, such as Amazon and Microsoft. To further maximize their utilization in the cloud, several academic works propose the spatial multi-tenant deployment model, where the FPGA fabric is simultaneously shared among mutually mistrusting clients. This is enabled by leveraging the partial reconfiguration property of FPGAs, which allows to split the FPGA fabric into several logically isolated regions and reconfigure the functionality of each region independently at runtime. In this paper, we survey industrial and academic deployment models of multi-tenant FPGAs in the cloud computing settings, and highlight their different adversary models and security guarantees, while shedding light on their fundamental shortcomings from a security standpoint. We further survey and classify existing academic works that demonstrate a new class of remotely exploitable physical attacks on multi-tenant FPGA devices, where these attacks are launched remotely by malicious clients sharing physical resources with victim users. Through investigating the problem of end-to-end multi-tenant FPGA deployment more comprehensively, we reveal how these attacks actually represent only one dimension of the problem, while various open security and privacy challenges remain unaddressed. We conclude with our insights and a call for future research to tackle these challenges.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 환경에서의 다중 테넌트 FPGA의 산업 및 학술적 구현 모델을 분석하고 비교한다.
• 공간적으로 다중 테넌시된 FPGA에서 원격으로 악용 가능한 물리적 공격—예: 사이드카 테널, 결함 주입, DoS 공격—을 식별하고 분류한다.
• 물리적 공격은 종단 간 FPGA 다중 테넌시에서 해결되지 않은 보다 광범위한 보안 및 프라이버시 과제의 한 측면에 불과하다는 점을 강조한다.
• 다중 테넌트 FPGA 환경에서 지적 재산권 보호, 안전한 비트스트림 전송, 비밀 키 관리와 같은 근본적인 문제를 검토한다.
• FPGA 기반 클라우드 가속을 위한 보안 문제를 해결하기 위해 협업적이고 표준 기반의 연구를 촉구한다.

제안 방법

• 시간적 및 공간적 공유 방식을 구분하면서 다중 테넌트 FPGA의 산업 및 학술적 구현 모델을 조사했다.
• 공격 벡터(예: 사이드카 테널, 결함 주입) 및 위협 모델을 기반으로 기존 학술 연구를 원격 물리적 공격 유형으로 분류했다.
• 공격의 근본 원인을 분석하며, 전원 공급 및 인터커넥트와 같은 공유된 물리적 자원과 논리적 파artitioning에도 불구하고 하드웨어 격리가 부족한 점을 강조했다.
• 비트스트림 검증 및 런타임 모니터링과 같은 기존 완화 기법의 한계를 평가했으며, 이는 종종 공격 유형에 특화되어 있고 미래의 공격에 대비하지 못한다는 점을 지적했다.
• FPGA SDK 및 클라우드 제공업체 도구체계의 신뢰 가정을 분석했으며, SGX와 같은 CPU 기반 TEE의 취약성과 유사점을 도출했다.
• 개방형 표준, 보안 가정에 대한 공개 문서화, FPGA 공유 모델에서의 클라이언트 선택 권한을 제안함으로써 투명성과 신뢰를 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 데이터센터에서 공간적 다중 테넌시 FPGA를 종단 간으로 구현할 때의 근본적인 보안 및 프라이버시 과제는 무엇인가?
• RQ2 사이드카 테널, 결함 주입, DoS 공격 등의 원격으로 악용 가능한 물리적 공격은 다중 테넌시 FPGA에서 공유된 물리적 자원을 어떻게 악용하는가?
• RQ3 현재의 물리적 공격 완화 기법이 향후 FPGA 기반 클라우드 워크로드를 보호하는 데 부족한 이유는 무엇인가?
• RQ4 클라이언트 지적 재산권 보호, 비트스트림 전송 보안, 비밀 정보 관리에서 해결되지 않은 과제는 무엇인가?
• RQ5 개방형 표준과 투명한 보안 문서화가 FPGA as a Service 배포에서 신뢰와 클라이언트 선택 권한을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• FPGA의 공간적 다중 테넌시는 높은 자원 활용도를 가능하게 하지만, 전원 공급 및 인터커넥트와 같은 공유된 물리적 자원으로 인해 심각한 보안 위험을 야기한다. 논리적 격리가 존재하더라도 마찬가지다.
• 다중 테넌시 FPGA에서 원격 물리적 공격은 실제로 가능하며 이미 실험적으로 입증되었다. 사이드카 테널은 비밀 정보를 泄露하며, 결함 주입은 동작을 변경하고, DoS 공격은 서비스를 방해한다.
• 기존의 물리적 공격 완화 기법은 종종 특정 공격 유형에 국한되어 있으며, 제로데이나 새로운 형태의 공격을 방지할 수 없다. 특히 악성 논리가 비트스트림에 내장된 경우 더욱 그렇다.
• 비트스트림 검증은 악성 회로가 가시화되거나 탐지 회피를 위해 설계된 경우 근본적으로 한계가 있으며, 모든 잠재적 하드웨어 트로이 목마를 검증할 수 있는 절대적인 방법이 없다.
• FPGA SDK 및 클라우드 제공업체 도구체계는 자체적으로 공격 표면을 이룬다. TEE 유사 시스템의 취약성으로 입증되었듯이, 철저한 보안 강화가 필요하다.
• 개방형 표준과 투명한 보안 문서화의 부재는 클라이언트의 신뢰를 약화시키며, 특히 민감한 워크로드에 대해 FPGA 공유 모델에 대한 정보 기반 결정을 어렵게 한다.