[论文解读] Insights into the Mind of a Trojan Designer: The Challenge to Integrate a Trojan into the Bitstream

Maik Ender, Pawel Swierczynski+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 16被引用 12

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过操纵AES核心中的基于密钥的移位寄存器，将隐蔽的硬件后门植入FPGA位流中，使后门能够绕过自检并使用固定且被后门植入的密钥加密数据。该攻击利用反向工程的位流分析以及通过LUT实现的硬件混淆，证明了部分位流暴露已足以实现有效且不可检测的破坏。

ABSTRACT

The threat of inserting hardware Trojans during the design, production, or in-field poses a danger for integrated circuits in real-world applications. A particular critical case of hardware Trojans is the malicious manipulation of third-party FPGA configurations. In addition to attack vectors during the design process, FPGAs can be infiltrated in a non-invasive manner after shipment through alterations of the bitstream. First, we present an improved methodology for bitstream file format reversing. Second, we introduce a novel idea for Trojan insertion.

研究动机与目标

• 研究在无完整设计访问权限的情况下，向FPGA位流中插入硬件后门的可行性。
• 改进位流反向工程技术，以识别关键硬件组件（如密钥寄存器）的位置。
• 证明部分位流暴露足以实现有效且隐蔽的硬件后门攻击。
• 探讨此类攻击对自保护加密模块的影响。
• 强调需要更强的防御机制以应对位流级别的硬件操纵。

提出的方法

• 作者使用简化的布线提取方法对FPGA位流进行反向工程，重点识别AES核心中的关键寄存器。
• 通过模拟已知明文/密文对并关联输出变化，将移位寄存器映射到特定的密钥位位置。
• 通过将密钥输入从触发器断开并替换为可编程LUT，实现后门的插入，LUT输出固定密钥值。
• 每个128位密钥均由专用LUT控制，LUT根据后门密钥配置为输出0或1。
• 通过RS232接口激活有效载荷，使攻击者可在配置期间设置后门密钥。
• 由于仅验证单一固定密钥，该攻击在自检过程中保持不可检测，而用户数据则使用后门密钥加密。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅通过部分位流反向工程，有效插入FPGA位流中的硬件后门？
• RQ2 基于密钥的移位寄存器在创建加密核心中的隐蔽后门方面可被利用到何种程度？
• RQ3 是否可以通过有针对性的位流操纵，绕过自保护AES核心中的自检机制？
• RQ4 使用LUT进行位流级别的混淆在保持隐蔽性和功能性方面有多高效？
• RQ5 部分位流暴露对硬件安全的实际影响是什么？

主要发现

• 作者通过模拟和已知明文/密文对，高精度地反向工程了位流，成功识别出负责处理AES密钥位的关键寄存器。
• 通过将触发器的密钥输入信号替换为可配置LUT，实现了对后门密钥的完全控制。
• 由于仅验证单一固定密钥，该攻击在自检过程中保持不可检测，而用户数据则使用后门密钥加密。
• 该方法仅需部分位流访问，且不依赖完整的设计知识，显著降低了攻击面。
• 本研究证明，即使对于复杂的加密模块，位流反向工程也比以往认为的更具可行性。
• 结果凸显了自保护加密核心在面对有针对性的位流操纵时的脆弱性，并呼吁改进混淆与验证技术。