[論文レビュー] Towards a Supply Chain Management System for Counterfeit Mitigation using Blockchain and PUF

Leonardo Aniello, Basel Halak+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、コンsortiumブロックチェーンと物理的に複製不能な関数（PUFs）を組み合わせることで、偽造された物理部品を検出可能な分散型サプライチェーン追跡システムを提案する。PUFsを用いて改ざんに強い独自の識別子を実現し、ブロックチェーンを用いて改ざん不能で監査可能な取引ログを確保することで、マルチティアのサプライチェーン全体で追跡可能性、完全性、責任の所在を確保する。プロトタイプは技術的妥当性と一般的な偽造攻撃に対する有効性を実証している。

ABSTRACT

The complexity of today's supply chain, organised in several tiers and including many companies located in different countries, makes it challenging to assess the history and integrity of procured physical parts, and to make organisations really accountable for their conduct. This enables malicious practices like counterfeiting and insertion of back doors, which are extremely dangerous, especially in supply chains of physical parts for industrial control systems used in critical infrastructures, where a country and human lives can be put at risk. This paper aims at mitigating these issues by proposing an approach where procured parts are uniquely identified and tracked along the chain, across multiple sites, to detect tampering. Our solution is based on consortium blockchain and smart contract technologies, hence it is decentralised, highly available and provides strong guarantees on the integrity of stored data and executed business logic. The unique identification of parts along the chain is implemented by using physically unclonable functions (PUFs) as tamper-resistant IDs. We first define the threat model of an adversary interested in tampering with physical products along the supply chain, then provide the design of the tracking system that implements the proposed anti-counterfeiting approach. We present a security analysis of the tracking system against the designated threat model and a prototype evaluation to show its technical feasibility and assess its effectiveness in counterfeit mitigation. Finally, we discuss several key practical aspects concerning our solution ad its integration with real supply chains.

研究の動機と目的

• 複雑でグローバル化が進むサプライチェーンにおける偽造部品の増加する課題に取り組むこと、特にインfra構築、防衛、医療分野において。
• 従来のサプライチェーンにおけるデータの断片化と中央集権的管理による可視性、追跡可能性、責任の所在の欠如という課題を克服すること。
• 暗号的保証が強い、分散型で改ざんに強いシステムを構築し、物理的部品のエンドツーエンド追跡を可能とすること。
• 各部品を暗号的に安全なPUF識別子に一意に束縛することで、改ざんされていない正当な部品のみがサプライチェーンに受け入れられるようにすること。
• 性能、機密性、コスト効率のバランスを考慮しながら、実世界のサプライチェーンプロセスと統合可能なソリューションを開発すること。

提案手法

• コンsortiumブロックチェーン（特にHyperledger Fabric）を活用し、サプライヤー間で分散型で可用性が高く、改ざんを明確に示す取引ログを提供する。
• 物理的に複製不能な関数（PUFs）を、製造段階で電子部品に埋め込んだハードウェアベースの複製不能な識別子として実装する。
• スマートコントラクトを用いてビジネスロジック（部品の真正性の検証、サプライヤー間での移管履歴の記録など）を強制する。
• 各部品のPUF応答値をそのアイデンティティに暗号的に束縛し、移管のたびにブロックチェーンに記録するシステムを設計する。
• Hyperledger Fabricのチャネルベースのプライバシー機構を適用し、取引の可視性を承認された参加者に制限することで機密性を保持する。
• Hyperledger Fabricを用いてプロトタイプを実装し、技術的妥当性、偽造部品検出の正確性、主要な脅威モデルに対する耐性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PUFsを組み込んだブロックチェーンベースのシステムは、高い完全性と低い誤検出率を実現しつつ、マルチティアのサプライチェーンにおける偽造部品を効果的に検出できるか？
• RQ2 データが断片的で複数のステークホルダーが関与するサプライチェーンにおいて、PUFsとブロックチェーンの統合が追跡可能性と責任の所在をどのように向上させるか？
• RQ3 特に初期段階のサプライチェーン改ざんや誤った帰属攻撃を想定した現実的な脅威モデル下で、提案されたシステムのセキュリティ的限界は何か？
• RQ4 監査可能性や追跡可能性を損なわずに、透明性の高いサプライチェーンシステムでプライバシーをどのように保護できるか？
• RQ5 実世界の産業サプライチェーンへの導入において、性能、スケーラビリティ、コストにどのような影響が生じるか？

主な発見

• 提案されたシステムは、ブロックチェーンに保存された基準値と照合することでPUF応答値を検証し、プロトタイプテストで高い正確性を示して偽造部品を効果的に検出している。
• ブロックチェーンの改ざん不能性とPUFsの複製不能性のおかげで、システムは大部分の完全性に基づく攻撃に対して耐性があり、データおよび論理の完全性を保証している。
• 攻撃者がチェーンの最初のサプライヤーを乗っ取った場合、その段階ではPUFの基準値が存在しないため、検出を回避できる。これは、重要な信頼境界の存在を示している。
• 正当な部品を入手した攻撃者がそれを改ざんし、元のPUF応答値を再貼付することで、誤ってサプライヤーを責める偽装攻撃が可能になる。これには、強化された束縛メカニズムの導入が不可欠である。
• Hyperledger Fabricを用いたプロトタイプ実装により、技術的妥当性が確認され、1秒未満の取引遅延と、秒間数千件の取引処理をサポートしている。
• コンsortiumブロックチェーンを採用することで、パブリックブロックチェーンと異なり取引手数料が不要となり、大規模なサプライチェーンへの展開においてコスト効率が著しく向上する。