[논문 리뷰] TAAL: Tampering Attack on Any Key-based Logic Locked Circuits

Ayush Jain, Ziqi Zhou외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 16.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 100인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 비밀 키를 저장하는 잠금 회로를 탈취하기 위해 넷리스트에 하드웨어 트로이 목마를 삽입하여 키를 유출시키는 새로운 훼손 공격 TAAL을 제안한다. 이 공격은 신뢰할 수 없는 파운드리의 넷리스트 데이터 접근 권한을 악용하여 훼손 방지 메모리에서 키를 추출하며, 제조 테스트를 회피하는 세 가지 유형의 트로이 목마(T1, T2, T3)를 통해 기존의 모든 논리 잠금 방어 수단을 무력화한다.

ABSTRACT

Due to the globalization of semiconductor manufacturing and test processes, the system-on-a-chip (SoC) designers no longer design the complete SoC and manufacture chips on their own. This outsourcing of the design and manufacturing of Integrated Circuits (ICs) has resulted in several threats, such as overproduction of ICs, sale of out-of-specification/rejected ICs, and piracy of Intellectual Properties (IPs). Logic locking has emerged as a promising defense strategy against these threats. However, various attacks about the extraction of secret keys have undermined the security of logic locking techniques. Over the years, researchers have proposed different techniques to prevent existing attacks. In this paper, we propose a novel attack that can break any logic locking techniques that rely on the stored secret key. This proposed TAAL attack is based on implanting a hardware Trojan in the netlist, which leaks the secret key to an adversary once activated. As an untrusted foundry can extract the netlist of a design from the layout/mask information, it is feasible to implement such a hardware Trojan. All three proposed types of TAAL attacks can be used for extracting secret keys. We have introduced the models for both the combinational and sequential hardware Trojans that evade manufacturing tests. An adversary only needs to choose one hardware Trojan out of a large set of all possible Trojans to launch the TAAL attack.

연구 동기 및 목표

• 저장된 비밀 키에 의존하는 임의의 논리 잠금 회로가 하드웨어 트로이 목마 기반 훼손 공격에 취약하다는 것을 입증하는 것.
• 신뢰할 수 없는 파운드리가 잠금 메커니즘의 사전 지식 없이 넷리스트에서 비밀 키를 추출할 수 있는 실용적인 공격 프레임워크를 개발하는 것.
• 표준 제조 테스트를 통과하면서도 신뢰성 있게 키 추출이 가능한 하드웨어 트로이 목마를 설계하는 것.
• 기존의 대응 조치, 특히 SAT에 강건한 논리 잠금 및 분할 제조 방식이 이 훼손 기반 공격에 효과가 없음을 보여주는 것.

제안 방법

• 세 가지 유형의 TAAL 공격(T1, T2, T3)을 제안: T1은 트로이 목마 활성화 시 비밀 키를 주 출력으로 직접 유출한다; T2와 T3는 조합 논리 및 순차 논리 경로를 통해 키를 전파한다.
• 일반적인 작동 중 기능적으로 무해하고 제조 테스트에 의해 탐지되지 않는 조합 및 순차 하드웨어 트로이 목마 모델을 설계한다.
• 높은 구조적 복잡도를 가진 트로이 목마를 생성하기 위한 알고리즘을 개발하여, 표준 테스트 패tern에 의해 탐지되지 않으며 광범위한 검색 공간을 확보한다.
• 레이아웃/마스크 데이터로부터 넷리스트에 액세스하여 트로이 목마를 임의의 위치에 삽입한다. 이는 신뢰할 수 없는 파운드리가 물리적 설계에서 넷리스트를 추출할 수 있음을 이용한 것이다.
• 특정 조건에서만 트로이 목마가 활성화되는 트리거 메커니즘을 활용하여 제조 테스트 기간 동안 감지 가능한 부작용을 최소화한다.
• 기본 설정에서 가능한 구성 중 하나의 트로이 목마만으로도 성공이 가능함을 보여줌으로써 공격의 실현 가능성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저장된 비밀 키를 내장 메모리에 보관하는 임의의 논리 잠금 회로에서, 사용된 잠금 기법과 관계없이 비밀 키를 추출할 수 있는 하드웨어 트로이 목마를 설계할 수 있는가?
• RQ2 표준 제조 테스트 절차 동안 감지되지 않으면서도 키 추출이 가능한 하드웨어 트로이 목마는 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ3 조합 논리 대비 순차 논리 중 어떤 트로이 목마 아키텍처가 논리 잠금 회로에서 키 누출에 가장 효과적인가?
• RQ4 SAT에 강건한 논리 잠금 또는 분할 제조와 같은 기존의 대응 조치가 이 훼손 기반 공격에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• TAAL 공격는 기반 잠금 메커니즘과 관계없이 비밀 키 기반 논리 잠금 회로를 모두 해독할 수 있다. 이는 저장된 비밀 키의 존재를 악용하기 때문이다.
• T1 유형의 TAAL 공격는 트로이 목마 활성화 시 비밀 키를 주 출력으로 직접 노출시키며, 복잡한 신호 전파가 필요 없다.
• T2 및 T3 유형의 공격는 제어된 신호 전파를 통해 출력으로 키를 전달하므로 도청이 더 어려워지며, 낮은 관측 가능한 부작용으로 인해 탐지가 더 어려워진다.
• 제안된 트로이 목마 생성 알고리즘은 수많은 잠재적 트로이 목마를 생성하여 자동 탐지 및 필터링이 실질적으로 불가능하게 만든다.
• 이 하드웨어 트로이 목마는 모든 표준 제조 테스트를 통과하여 제조 이전 검증 단계에서 감지되지 않도록 설계되어 있다.
• 이 공격는 신뢰할 수 없는 파운드리에게 실용적이다. 이들은 레이아웃/마스크 데이터에서 넷리스트를 추출하고 제조 이전에 트로이 목마를 삽입할 수 있기 때문이다.