[논문 리뷰] Temperature-Based Hardware Trojan For Ring-Oscillator-Based TRNGs

Samaneh Ghandali, Daniel Holcomb외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 22.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고온에서만 작동하는 스텔스성 있는 매개변수 기반 하드웨어 트로이 목마를 제안한다. 이 트로이 목마는 정상 조건에서는 탐지되지 않지만 고온에서 작동하여 고리 발진기 기반 진짜 난수 생성기(TRNG)의 출력을 예측 가능하고 비난수적으로 만들며, 암호 보안을 크게 약화시킨다. 공격은 트랜지스터의 행동 변화에 기인한 온도 유도 지연 변화를 악용하여 논리 회로를 추가하지 않고도 엔트로피 원천을 비활성화한다. 공격자는 마르코프 체인 모델을 사용해 출력을 예측할 수 있으며, 이는 암호 보안에 심각한 영향을 미친다.

ABSTRACT

True random number generators (TRNGs) are essential components of cryptographic designs, which are used to generate private keys for encryption and authentication, and are used in masking countermeasures. In this work, we present a mechanism to design a stealthy parametric hardware Trojan for a ring oscillator based TRNG architecture proposed by Yang et al. at ISSCC 2014. Once the Trojan is triggered the malicious TRNG generates predictable non-random outputs. Such a Trojan does not require any additional logic (even a single gate) and is purely based on subtle manipulations on the sub-transistor level. The underlying concept is to disable the entropy source at high temperature to trigger the Trojan, while ensuring that Trojan-infected TRNG works correctly under normal conditions. We show how an attack can be performed with the Trojan-infected TRNG design in which the attacker uses a stochastic Markov Chain model to predict its reduced-entropy outputs.

연구 동기 및 목표

• 정상 작동 조건에서 탐지되지 않는 고리 발진기 기반 TRNG용 매개변수 기반 하드웨어 트로이 목마를 설계하는 것.
• 추가 논리 또는 게이트를 추가하지 않고도 고온에서만 트리거되는 트로이 목마를 구현하는 것.
• 이러한 트로이 목마가 TRNG 출력의 엔트로피를 극적으로 감소시켜 암호 보안을 약화시킬 수 있음을 입증하는 것.
• 공격자가 비난수 출력을 예측할 수 있도록 하는 마르코프 체인 기반 확률 모델을 개발하는 것.
• NIST 통계 테스트 및 다양한 온도에서의 실제 측정을 통해 트로이 목마의 효과를 평가하는 것.

제안 방법

• 트로이 목마는 고리 발진기의 조합 논리에서 중요한 경로의 길이를 늘림으로써 구현되며, 이는 온도 유도 지연 변화에 민감하게 만든다.
• 고온(예: 120°C)에서 증가한 지연으로 인해 고리 발진기가 주기적인 상태로 붕괴되어 엔트로피가 사라진다.
• 정상 온도(25°C, 60°C)에서 기능적으로 정확하고 모든 NIST 난수 테스트에 통과하여 스텔스성을 확보한다.
• 공격 모델은 손상된 TRNG의 주기적 출력 패턴을 표현하기 위해 마르코프 체인을 사용하며, 향후 출력의 확률적 예측을 가능하게 한다.
• TRNG는 45nm Nangate Open Cell Library를 사용하여 구현되었으며, 트로이 목마의 영향은 시뮬레이션 및 통계 테스트를 통해 검증되었다.
• 다양한 키 크기에 대해 공격 복잡도를 정량화하여, 낮은 복잡도의 공격도 손상된 TRNG에서 높은 성공률을 달성함을 보여주었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고리 발진기 기반 TRNG에 대해 정상 작동 조건에서 탐지되지 않는 하드웨어 트로이 목마를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 추가 논리 없이도 온도만으로 트리거되는 트로이 목마의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 트로이 목마는 TRNG 출력의 엔트로피를 어느 정도 감소시키며, 이를 어떻게 측정할 수 있는가?
• RQ4 공격자가 스토케스틱 모델을 사용해 트로이 목마에 감염된 TRNG의 출력을 예측할 수 있으며, 그 모델의 효과는 어떠한가?
• RQ5 이러한 트로이 목마는 고엔트로피 난수를 기반으로 하는 암호 시스템에 실질적인 영향을 미치는가?

주요 결과

• 트로이 목마가 없는 TRNG는 25°C, 60°C, 120°C에서 모두 NIST 통계 테스트에 통과하여 정상 및 극한 조건에서도 강건함을 입증한다.
• 트로이 목마가 있는 TRNG는 25°C와 60°C에서는 모든 NIST 테스트에 통과하지만, 120°C에서는 모든 테스트에 실패하여 촉발 온도에서 난수성의 심각한 손실이 발생함을 나타낸다.
• 120°C에서 3엣지 RO의 붕괴까지의 사이클 수는 역 가우시안 분포를 따르며, 평균이 거의 0에 수렴하여 즉각적이고 반복적인 붕괴를 나타낸다.
• 120°C에서 트로이 목마에 감염된 TRNG의 출력은 래스터 스캔된 비트스트림 시각화에서 명확한 주기적 패턴을 보이며, 비난수적 행동을 확인한다.
• 64비트 키를 해독하는 데 필요한 공격 복잡도는 최소 2^15이며 성공 확률은 0.8928이며, 256비트 키의 경우 2^55의 복잡도로 성공 확률 0.964를 기록하여 실용적 구현 가능성을 입증한다.
• 스토케스틱 마르코프 체인 모델은 트로이 목마의 주기적 출력을 정확하게 예측할 수 있으며, 이는 손상된 시스템이 공격자에게 실제로 이용 가능하고 매우 효율적임을 보여준다.