[논문 리뷰] An Experimental Study of Cryptography Capability using Chained Key Exchange Scheme for Embedded Devices

Mohd Anuar Mat Isa, Hashim, Habibah외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Chaos-based Image/Signal Encryption인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 임베디드 마이크로컨트롤러의 암호화 성능을 평가하기 위해 체인드 키 교환(CKE) 기반의 암호화 프로토콜을 제안한다. 특히 ARM 기반의 라즈베리파이를 대상으로 하며, U-Boot 펌웨어 내에서 수정된 GMP 빅넘버 라이브러리를 활용해 TFTP를 보안 키 교환 기능으로 강화하였다. OS 환경에서 2048비트 키 교환에 대해 12.035초가 소요되었지만, 예상치 못하게 베어메탈 실행 환경에서의 성능이 OS 보다 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 캐싱 기능 부재로 인한 것으로, 경량 암호화 환경에서 하드웨어-소프트웨어 간의 극도로 중요한 성능 트레이드오���을 드러낸다.

ABSTRACT

After 38 years of birthday Diffie-Hellman Key Exchange (DHKE), there are many proposed improvements in the DHKE protocol to encounter modern security issues. This protocol seems quite simple to be implemented, but it can be vulnerable to many types of attacks. In this work, we propose the Chained Key Exchange scheme as a case study to explore cryptographic computation capability of embedded microcontroller. We choose ARM RaspberryPi board as hardware platform for experimental setup. To enable RasberberryPi system on chip (SoC) to perform cryptographic computation, we modified the GNU GMP Bignum library to support a simple primitive cryptographic computation in the UBOOT firmware. The main purpose of our study is to determine whether there is any gap between cryptographic protocol-scheme (in term of theoretical) and its engineering implementation. Our scheme will be integrated with Trivial File Transfer Protocol (TFTP) application in the UBOOT firmware. Our proposed scheme in the TFTP protocol will secure the sharing of secrets and symmetric keys (e.g., AES256). After that, the symmetric encryption algorithm can be used to encrypt data in the cases of remote system updates, patching and upgrades (e.g., firmware, kernel or application).

연구 동기 및 목표

• 제한된 환경에서 임베디드 마이크로컨트롤러, 특히 ARM 기반의 라즈베리파이의 암호화 연산 능력을 평가하기 위해.
• 자원이 제한된 장치에서 이론적 암호화 프로토콜 설계와 실제 공학적 구현 간 격차를 조사하기 위해.
• TFTP 기반 원격 시스템 업데이트를 위한 신뢰할 수 있는 보안을 확보하기 위해 U-Boot 펌웨어에 안전한 키 교환 메커니즘을 통합하기 위해.
• 동일 하드웨어에서 베어메탈 실행과 운영체제(이하 OS) 기반 실행 간 성능 차이를 평가하기 위해.
• 표준 마이크로컨트롤러에서 일반적이고 안전하며 경량의 암호화 장치를 구축할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 핵심 신뢰 루트(core root of trust, crt)를 활용해 초기 키 재료를 제공하는 디피헬먼 키 교환(DHKE) 프로토콜 기반의 체인드 키 교환(CKE) 기반의 프로토콜을 제안함.
• 암호화 연산을 U-Boot 펌웨어 내에서 직접 수행할 수 있도록 GNU GMP 빅넘버 라이브러리의 수정을 수행하여 모듈식 거듭제곱 연산을 지원함.
• 기기 제조 시 생성된 사전 공유 핵심 신뢰 루트 매개변수(p_crt, g_crt, a_crt, b_crt)를 훼손 방지 비버니셔블 메모리에 저장함.
• 모듈식 거듭제곱 연산을 통해 공유 비밀 키(Key_crt)를 생성함: Key_crt ≡ A_crt^b_crt mod p_crt 및 Key_crt ≡ B_crt^a_crt mod p_crt.
• U-Boot 내 TFTP 프로토콜 스택에 CKE 기반 보안 메커니즘을 통합하여 펌웨어, 커널, 애플리케이션 업데이트를 보호함.
• 동일한 입력 데이터와 코드를 사용하여 베어메탈 및 OS 기반 실행 모드를 모두 지원하는 수정된 U-Boot 환경를 구성하여 성능 비교를 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임베디드 마이크로컨트롤러에서 이론적 암호화 프로토콜 설계와 실제 구현 간에 심각한 성능 격차가 존재하는가?
• RQ2 라즈베리파이와 같은 마이크로컨트롤러에서 운영체제의 오버헤드가 줄어들기 때문에 베어메탈 실행이 운영체제 기반 실행보다 성능이 뛰어나지 않는가?
• RQ3 U-Boot 펌웨어에 안전한 키 교환 프로토콜을 효과적으로 통합하여 TFTP 기반 원격 업데이트를 보호할 수 있는가?
• RQ4 캐시 설정, 운영체제 유무 등 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성이 모듈식 거듭제곱과 같은 암호화 연산의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제한된 장치에서 안전하고 효율적이며 경량의 암호화를 실현하기 위해 극복해야 할 핵심 구현 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 라즈베리파이에서 체인드 키 교환 기반의 성능은 1024비트 키 기준으로 베어메탈 모드에서 8.364초, OS 기반 실행에서는 1.571초로 나타나, 성능 격차가 뚜렷하게 나타남.
• 베어메탈 모드에서 CPU 내부 캐시를 활성화하면 1024비트 키 기준 실행 시간이 8.364초에서 1.887초로 감소하여, 캐싱이 운영체제 오버헤드보다 더 큰 영향을 미친다는 것을 확인함.
• 2048비트 키 기준으로는 베어메탈 모드에서 63.998초, OS 기반에서는 12.035초가 소요되어, 키 크기의 영향력이 매우 크다는 것을 확인함.
• 예상치 못하게 OS 기반 실행이 베어메탈 실행보다 빠른 것으로 나타나, 초기 가설(베어메탈이 운영체제 간섭이 줄어들어 더 빠를 것)을 뒤집는 결과를 도출함.
• 통합된 CKE 기반의 U-Boot 펌웨어 크기는 185,584 바이트로 증가하여, 저수준 펌웨어에 암호화 기능을 통합하는 것이 가능함을 입증함.
• 연구 결과, 캐싱, 파ip라이닝, 메모리 관리와 같은 하드웨어 수준 최적화가 최소한의 펌웨어 환경에서도 성능에 매우 중요한 영향을 미친다는 점을 규명함.