[논문 리뷰] Towards Implementation of Robust and Low-Cost Security Primitives for Resource-Constrained IoT Devices

Fatemeh Tehranipoor|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 14.

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

한 줄 요약

이 논문은 기존 DRAM 및 전원 공급 장치 구성 요소의 내재된 물리적 변동성을 활용하여, 추가 회로가 필요 없는 저비용 하드웨어 기반 보안 원천—특히 DRAM 기반 PUF 및 다수의 TRNG 설계—을 제안한다. 이 방법들은 고엔트로피와 NIST 기준을 충족하는 무작위성을 달성하며, 자원이 제한된 IoT 기기에서의 구현 가능성을 입증한다. 평균 상호-die 해밍 거리는 0.4937이며, 강력한 통계적 무작위성이 확보된다.

ABSTRACT

In recent years, due to the trend in globalization, system integrators have had to deal with integrated circuit (IC)/intellectual property (IP) counterfeiting more than ever. These counterfeit hardware issues counterfeit hardware that have driven the need for more secure chip authentication. High entropy random numbers from physical sources are a critical component in authentication and encryption processes within secure systems [6]. Secure encryption is dependent on sources of truly random numbers for generating keys, and there is a need for an on chip random number generator to achieve adequate security. Furthermore, the Internet of Things (IoT) adopts a large number of these hardware-based security and prevention solutions in order to securely exchange data in resource efficient manner. In this work, we have developed several methodologies of hardware-based random functions in order to address the issues and enhance the security and trust of ICs: a novel DRAM-based intrinsic Physical Unclonable Function (PUF) [13] for system level security and authentication along with analysis of the impact of various environmental conditions, particularly silicon aging; a DRAM remanence based True Random Number Generation (TRNG) to produce random sequences with a very low overhead; a DRAM TRNG model using its startup value behavior for creating random bit streams; an efficient power supply noise based TRNG model for generating an infinite number of random bits which has been evaluated as a cost effective technique; architectures and hardware security solutions for the Internet of Things (IoT) environment. Since IoT devices are heavily resource constrained, our proposed designs can alleviate the concerns of establishing trustworthy and security in an efficient and low-cost manner.

연구 동기 및 목표

• 글로벌 전자 공급망에서 증가하는 IC 및 IP 위조 위협을 해결하기 위해.
• 자원이 제한된 IoT 기기에서 전통적인 암호화 방법의 한계를 극복하기 위해, 이는 느리고 비싸며 측면채널 공격에 취약하기 때문이다.
• 면적과 전력 소모가 최소화된 임베디드 시스템에 특화된 저비용, 효율적이고 견고한 하드웨어 보안 원천—특히 PUF 및 TRNG—을 개발하기 위해.
• 기존 구성 요소에서 유래한 내재된 물리적 무작위성을 활용하여 IoT 및 사이버-물리 시스템(CPS)에서 신뢰할 수 있는 인증 및 키 생성을 가능하게 하기 위해.
• 하드웨어 수정과 비용을 최소화하여 실제 IoT 환경에서 보안 원천의 실용적 구현을 보장하기 위해.

제안 방법

• 전원 켜짐 시 DRAM 커패시터의 무작위 초기화 값에 기반한 DRAM 기반 내재 PUF를 제안하여, 고유한 아날로그-디지털 변환 회로가 필요 없도록 한다.
• 전원 종료 후 잔류 데이터 유지 특성을 활용하여 기존 DRAM 구성 요소에서 불가역적인 비트스트림을 생성하는 DRAM 유지성 기반 TRNG를 개발한다.
• 부팅 중 DRAM의 확률적 행동에서 랜덤 비트 시퀀스를 추출하는 시작값 기반 DRAM TRNG 모델을 제안한다.
• 전원 공급원의 내재된 전압 변동성을 활용한 전원 공급 잡음 기반 TRNG를 설계하였으며, 안정성과 자가 校정을 향상시키기 위해 동적 전압 피드백 튜닝(DVFT)을 통합하였다.
• 모든 제안된 TRNG 설계의 무작위성과 예측 불가능성을 검증하기 위해 NIST 통계 테스트 세트를 적용한다.
• 다양한 환경 조건에서 다른 DRAM 칩 간에 PUF 응답의 신뢰성과 유일성을 향상시키기 위해 등록 알고리즘을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전원 켜짐 시 DRAM의 내재된 물리적 무작위성을 추가 회로 없이 신뢰성 있게 활용하여 하드웨어 기반 PUF를 생성할 수 있는가?
• RQ2 DRAM의 유지성 특성이 저비용으로 암호학적으로 강력하고 예측 불가능한 랜덤 비트스트림을 생성하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ3 전원 공급 잡음은 임베디드 시스템에서 진정한 무작위성의 원천으로 활용될 수 있으며, 비정상적인 동작 특성을 어떻게 안정화시켜 일관된 출력을 확보할 수 있는가?
• RQ4 온도 및 실리콘 노후화와 같은 환경 요인이 DRAM 기반 PUF 및 TRNG의 신뢰성과 유일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 하드웨어 원천은 실제 IoT 및 CPS 기기의 제약 조건을 충족시키기 위해 면적과 전력 소모가 최소화된 채로 구현될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 DRAM PUF는 평균 상호-die 해밍 거리가 0.4937에 도달하여, 서로 다른 칩 간에 강력한 유일성과 복제 불가능성을 보여준다.
• DRAM 유지성 기반 TRNG는 강력한 통계적 예측 불가능성과 반복 불가능성을 확보하여 NIST 기준을 충족하는 무작위 비트스트림을 생성하며, 암호학적 적합성을 입증한다.
• 동적 전압 피드백 튜닝(DVFT)으로 향상된 전원 공급 잡음 기반 TRNG 모델은 최소한의 하드웨어 비용으로 실시간 구현에 대한 강건성과 실현 가능성을 입증한다.
• 모든 제안된 TRNG는 NIST 통계 테스트 세트를 통과하여 고엔트로피와 편향 없는 출력 품질을 확인한다.
• 등록 알고리즘이 다양한 운영 조건에서 PUF의 신뢰성을 크게 향상시켜, 실제 DRAM 하드웨어에서 안정적이고 반복 가능한 식별이 가능하게 한다.
• 전체 보안 원천 세트는 IoT 기기의 기존 구성 요소만으로도 추가 회로 없이도 실현 가능하여, 저비용, 경량, 효율적인 하드웨어 보안 솔루션을 가능하게 한다.