[论文解读] COMA: Communication and Obfuscation Management Architecture

Kimia Zamiri Azar, Farnoud Farahmand+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security被引用 20

一句话总结

COMA 提出了一种新颖的架构，用于在不可信代工厂制造的混淆集成电路中实现安全的密钥管理和通信。通过消除片上密钥存储，采用基于 PUF 的动态密钥，并引入两种混合加密模式（DCC 用于安全，LCC 用于性能），COMA 相较于 FORTIS 将面积开销降低了 14%，同时实现了物联网和 2.5D 系统的唯一芯片认证与按需激活服务。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a novel Communication and Obfuscation Management Architecture (COMA) to handle the storage of the obfuscation key and to secure the communication to/from untrusted yet obfuscated circuits. COMA addresses three challenges related to the obfuscated circuits: First, it removes the need for the storage of the obfuscation unlock key at the untrusted chip. Second, it implements a mechanism by which the key sent for unlocking an obfuscated circuit changes after each activation (even for the same device), transforming the key into a dynamically changing license. Third, it protects the communication to/from the COMA protected device and additionally introduces two novel mechanisms for the exchange of data to/from COMA protected architectures: (1) a highly secure but slow double encryption, which is used for exchange of key and sensitive data (2) a high-performance and low-energy yet leaky encryption, secured by means of frequent key renewal. We demonstrate that compared to state-of-the-art key management architectures, COMA reduces the area overhead by 14%, while allowing additional features including unique chip authentication, enabling activation as a service (for IoT devices), reducing the side channel threats on key management architecture, and providing two new means of secure communication to/from an untrusted chip.

研究动机与目标

• 解决在不可信代工厂中制造的混淆集成电路所面临的密钥泄露这一关键安全挑战。
• 消除在不可信芯片中存储混淆解锁密钥的需求，以防止侧信道攻击和物理攻击。
• 实现动态、一次性激活密钥，每次使用时均发生变化，使密钥成为对抗重放攻击和暴力破解攻击的移动目标。
• 通过两种不同的加密模式保护与不可信芯片之间的通信信道：一种为高安全性的双重加密（DCC），另一种为高性能、低功耗的易泄露加密（LCC），并配合频繁的密钥更新。
• 支持物联网和 2.5D 集成系统的唯一设备标识与按需激活服务，提升信任度与可扩展性。

提出的方法

• 使用 PUF（物理不可克隆函数）为每颗芯片生成唯一且不可预测的秘密密钥，消除硬编码的私钥。
• 使用 TRNG（真随机数生成器）为 PRNG（伪随机数生成器）提供种子，以生成动态会话密钥，确保不可预测性。
• 实现两种安全通信模式：DCC（双重加密通信）用于高安全性密钥与数据交换，LCC（低通信成本）用于高吞吐量、低功耗传输。
• 集成公钥密码学以保护 PUF 响应的读取过程，防止基于软件的密钥提取攻击。
• 设计架构以支持两种部署模式：R-COMA（远程激活，密钥存储于外部）和 2.5D-COMA（封装内可信芯片用于密钥管理）。
• 通过限制敏感密钥密码学仅在受保护的、短暂的操作中使用，并且每会话仅使用一次公钥加密，实现对侧信道攻击（SCA）的加固。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不将解锁密钥存储于不可信芯片上的前提下，安全地管理该密钥？
• RQ2 哪些机制可以确保激活密钥在每次激活时都是唯一的，即使对于同一设备也是如此？
• RQ3 如何保护不可信芯片与密钥管理机制之间的通信，防止窃听和篡改？
• RQ4 在密钥管理架构中使用双模式加密（DCC 与 LCC）时，性能与面积之间的权衡如何？
• RQ5 与现有方案如 FORTIS 相比，COMA 在安全性、可扩展性以及对侧信道攻击和故障攻击的抵抗能力方面有何改进？

主要发现

• COMA 相较于 FORTIS 将面积开销降低了 14%，轻量级版本 COMA2 仅使用 8.7K 个门电路，在 Virtex-7 等大型基准测试中实现 0.43% 的面积开销。
• DCC 模式通过双重加密和 AEAD 提供超高的安全性，但由于初始化阶段的 AEAD 和 PRNG 操作，导致更高的能量消耗。
• LCC 模式在初始化后，对于后续的消息交换实现了显著更低的能量消耗，其能耗增长速率远低于 DCC，因为其对 AEAD 和 PRNG 的依赖更少。
• COMA 通过基于 PUF 的密钥生成实现唯一芯片认证，消除了 FORTIS 中存在的密钥复制或基于软件的密钥伪造风险。
• COMA 对侧信道攻击和故障攻击具有强韧性：密钥不会被重复使用，且 PUF 健康检查可检测到试图用确定性函数替换 PUF 的行为。
• COMA 通过支持远程、按需的密钥分发，无需持久存储密钥，实现了物联网和 2.5D 系统的按需激活服务，从而提升了安全性与操作灵活性。