[论文解读] EOP: An Encryption-Obfuscation Solution for Protecting PCBs Against Tampering and Reverse Engineering

Zimu Guo, Xiaolin Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 10被引用 4

一句话总结

EOP 是一种低开销、兼容商用现成（COTS）组件的框架，通过使用非线性流密码并借助专用控制时钟模块同步，对芯片间通信进行加密，从而保护印刷电路板（PCB）免受篡改和逆向工程的侵害。它以高精度检测主动篡改行为，并在无需额外硬件的情况下实现完整的安全覆盖（SR-1 至 SR-4），在 Zynq SoC 上验证时实现零数据错误和强健的篡改检测能力。

ABSTRACT

PCBs are the core components for the devices ranging from the consumer electronics to military applications. Due to the accessibility of the PCBs, they are vulnerable to the attacks such as probing, eavesdropping, and reverse engineering. In this paper, a solution named EOP is proposed to migrate these threats. EOP encrypts the inter-chip communications with the stream cipher. The encryption and decryption are driven by the dedicated clock modules. These modules guarantee the stream cipher is correctly synchronized and free from tampering. Additionally, EOP also incorporates the PCB-level obfuscation for protection against reverse engineering. EOP is designated to be accomplished by utilizing the COTS components. For the validation, EOP is implemented in a Zynq SoC based system. Both the normal operation and tampering detection performance are verified. The results show that EOP can deliver the data from one chip to another without any errors. It is proved to be sensitive to any active tampering attacks.

研究动机与目标

• 解决消费类与军用电子产品中 PCB 易受主动篡改和逆向工程影响的漏洞问题。
• 通过设计一种实用、低成本的保护框架，克服现有解决方案的局限性，如高开销、硬件限制或缺乏运行时检测能力。
• 通过集成加密与混淆技术，实现端到端的 PCB 级保障，以抵御篡改和逆向工程。
• 确保与商用现成（COTS）组件的兼容性，以实现物联网等大规模应用中的广泛部署。
• 提供实时篡改检测功能，无需预登记或专用检测阶段，与以往方法形成对比。

提出的方法

• EOP 使用非线性流密码生成一次性密码本（OTPs），通过异或（XOR）加密方式保护芯片间数据通信，确保机密性与完整性。
• 专用控制时钟模块实现芯片间加密与解密的同步，篡改检测基于监控时钟路径与数据路径信号的相关性。
• 控制时钟验证模块通过比较预期与实际的信号跳变，检测异常情况，如强制接地或时序违规。
• 该框架与板级混淆技术集成，进一步隐藏关键数据路径，防止逆向工程。
• EOP 仅使用商用现成（COTS）组件实现，包括 FPGA 和 CPLD，并利用标准 JTAG 与三态缓冲器接口进行硬件验证。
• 系统在不中断正常运行的前提下，实现实时加密与篡改检测，避免了对独立检测阶段的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种基于 COTS 的低开销框架是否能有效保护 PCB 免受主动篡改攻击，而无需专用硬件或预登记？
• RQ2 在芯片间通信过程中，如何确保流密码的实时同步机制免受时钟操纵的影响？
• RQ3 加密与混淆技术在多大程度上可结合使用，以提供对篡改与逆向工程的全面防护？
• RQ4 在各种主动篡改场景下，包括数据路径攻击与时钟信号攻击，该框架的性能与检测准确率如何？
• RQ5 与现有方案相比，EOP 在实现开销、适用性以及在不同 PCB 设计约束下的安全覆盖范围（SR-1 至 SR-4）方面表现如何？

主要发现

• 在 Zynq SoC 实现中，EOP 在多个测试频率下成功实现了芯片间通信的加密，且未出现任何数据传输错误。
• 硬件测试中，框架检测到了所有四类控制时钟违规行为以及全部三类数据路径篡改攻击，证实其对主动篡改具有高度敏感性。
• EOP 实现了对全部四项安全需求（SR-1 至 SR-4）的完整覆盖，包括防篡改、防逆向工程、实时运行与低开销。
• 与其他方案相比，EOP 的实现开销最低，仅需标准 COTS 芯片，无需额外组件。
• 控制时钟验证模块准确识别出信号异常，包括持续时间略长于 5ns（最小数据更新周期）的错位篡改脉冲。
• 与 MPA 等现有方法及基于混淆的方案相比，EOP 通过消除对 JTAG 模式切换、BGA 封装或中间层布线的需求，显著提升了兼容性与可扩展性。