[논문 리뷰] Timing Attack Resilient Decoding Algorithms for Physical Unclonable Functions

Sven Puchinger, Sven Müelich외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 23.

Chaos-based Image/Signal Encryption인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 연결 코딩 체계에서 리드-솔로몬 코드의 리스트 디코딩을 사용하여 물리적 불가복제성 함수(PUF)에 대한 타이밍 공격에 강건한 디코딩 알고리즘을 제안한다. 최소 거리의 반을 초월하는 디코딩 반경을 확장함으로써 기존 방법보다 낮은 블록 오류율을 달성하면서도, 순열 기반 마스킹과 알고리즘 강화를 통해 일정한 실행 시간을 보장함으로써 사이드 채널 공격에 대한 보안을 확보한다. 이는 사이드 채널 위협 하에서 안전하게 키 재생을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper deals with the application of list decoding of Reed--Solomon codes to a concatenated code for key reproduction using Physical Unclonable Functions. The resulting codes achieve a higher error-correction performance at the same code rate than known schemes in this scenario. We also show that their decoding algorithms can be protected from side-channel attacks on the runtime both by masking techniques and by directly modifying the algorithms to have constant runtime.

연구 동기 및 목표

• 기존 방법을 초월하여 PUF 기반 키 재생 시스템에서 오류 수정 성능을 향상시키는 것.
• 변동하는 실행 시간을 악용하는 타이밍 사이드 채널 공격으로부터 디코딩 알고리즘을 보호하는 것.
• 해밍 거리 계산의 순서를 순열 기반 마스킹으로 마스킹함으로써 사이드 채널 누출에 대비한 정보 이론적 보안을 달성하는 것.
• 실세계 하드웨어 환경에서 사이드 채널에 저항하는 고성능 PUF의 실용적 구현을 가능하게 하는 것.
• 고급 소프트 디시전 디코딩 기법인 코트너–바디 디코더를 PUF 시스템에 통합하기 위한 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 연결 코딩 체계에서 리드-솔로몬 코드의 리스트 디코딩을 사용하여 최소 거리의 반을 초월하는 디코딩 반경을 확장함으로써 오류 수정 능력을 향상시키는 것.
• 해밍 거리 계산의 순서를 코딩 워드의 무작위 순열로 마스킹하여, 실제 코딩 워드에 관계없이 일정한 실행 시간을 보장하는 것.
• 문헌 [7]의 마스킹 기법을 리스트 디코딩 과정에 적용하여, 타이밍 공격에 대비한 정보 이론적 보안을 입증하는 것.
• 코딩 워드의 순서를 뒤섞은 리스트를 정의하고, 수신된 워드와의 해밍 거리를 순서에 따라 계산함으로써 진짜 코딩 워드에 대한 불확실성을 유지하는 것.
• 모든 코딩 워드와 수신 워드에 동일한 코딩 워드를 더해도 순열 하에서 해밍 거리가 유지된다는 성질을 활용하여, 불변성을 확보함으로써 식별 불가능성을 보장하는 것.
• 공격자가 해밍 거리의 순서 정렬된 목록을 관찰하더라도 코딩 워드의 조건부 엔트로피가 변하지 않는다는 것을 수학적으로 증명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리드-솔로몬 코드의 리스트 디코딩은 기존의 디코딩 방법에 비해 PUF 기반 키 재생 시나리오에서 블록 오류율 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 성능을 희생시키지 않고도 디코딩 알고리즘을 타이밍 사이드 채널 공격에 저항하도록 만들 수 있는가?
• RQ3 해밍 거리 계산의 순서를 마스킹함으로써 타이밍 누출 상황에서도 정보 이론적 보안이 유지되는가?
• RQ4 제안된 일정한 실행 시간 디코딩 방법은 기존 PUF 아키텍처에 최소한의 오버헤드로 통합 가능한가?
• RQ5 공격자가 모든 코딩 워드에 대한 해밍 거리 순서 정렬 목록을 관찰할 경우, 보안의 이론적 보장 수준은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 리스트 디코딩 기법은 최소 거리의 반을 초월하는 디코딩 반경을 확보함으로써 PUF 환경에서 기존 코드와 디코더보다 낮은 블록 오류 확률을 달성한다.
• 코딩 워드의 무작위 순열 기반 마스킹 기법은 공격자가 해밍 거리의 순서 정렬된 목록을 관찰하더라도 코딩 워드의 조건부 엔트로피가 그대로 유지됨을 보장한다.
• 증명을 통해 관찰된 순서 정렬된 해밍 거리 목록이 있더라도 진짜 코딩 워드에 대한 불확실성이 감소하지 않음을 확인함으로써 정보 이론적 보안이 입증된다.
• 코딩 워드를 순서 뒤섞인 순서로 처리함으로써 디코딩 알고리즘을 일정한 실행 시간으로 만들 수 있으며, 이는 타이밍 사이드 채널 누출을 제거한다.
• 이 방법은 코트너–바디 소프트 디시전 디코더와 같은 고급 디코딩 알고리즘과도 호환되며, 성능 향상에 기여할 수 있다.
• 이 방법은 실용적인 PUF 기반 키 관리 시스템에 고성능이면서 사이드 채널에 강건한 디코딩 기법을 통합하기 위한 기반을 제공한다.