[论文解读] TAAL: Tampering Attack on Any Key-based Logic Locked Circuits

Ayush Jain, Ziqi Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 100被引用 11

一句话总结

本文提出TAAL，一种新型篡改攻击，通过在网表中植入硬件后门，可在激活时泄露存储的密钥，从而破坏任何基于密钥的逻辑锁电路。该攻击利用未受信任的制造厂对网表数据的访问权限，实现从防篡改存储器中提取密钥，并通过三种不同类型的后门（T1、T2、T3）绕过所有现有逻辑锁防御机制，且能逃避制造测试。

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.

研究动机与目标

• 证明任何依赖于存储秘密密钥的逻辑锁电路均易受基于硬件后门的篡改攻击影响。
• 开发一种实用的攻击框架，使未受信任的制造厂无需事先了解锁机制即可从网表中提取秘密密钥。
• 设计能通过标准制造测试的硬件后门，同时确保可靠地提取密钥。
• 表明现有对策（包括抗SAT攻击的逻辑锁和分拆制造）对这种基于篡改的攻击无效。

提出的方法

• 提出三种TAAL攻击类型：T1在后门激活时直接将秘密密钥泄露至主输出；T2和T3通过组合逻辑与时序逻辑路径传播密钥。
• 设计在正常运行时功能无害、且能逃避制造测试检测的组合与时序硬件后门模型。
• 开发一种算法，生成具有高度结构复杂性的后门，确保其无法被标准测试模式检测，并具有庞大的搜索空间。
• 利用网表级访问权限（来自版图/掩模数据），在任意位置插入后门，利用未受信任制造厂可从物理设计中提取网表的事实。
• 采用仅在特定条件下激活的触发机制，最大限度减少测试期间的可检测副作用。
• 通过证明在海量可能配置中仅需一个后门即可成功，验证了该攻击的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种硬件后门，使任何将密钥存储在片上存储器中的逻辑锁电路，无论采用何种锁技术，均可被提取出秘密密钥？
• RQ2 如何构建一种硬件后门，使其在标准制造测试流程中保持不可检测，同时仍能实现密钥提取？
• RQ3 在逻辑锁电路中，哪种后门架构（组合型与时序型）在密钥泄露方面最为有效？
• RQ4 现有对策（如抗SAT攻击的逻辑锁或分拆制造）在多大程度上仍能有效抵御这种基于篡改的攻击？

主要发现

• TAAL攻击可破坏任何基于密钥的逻辑锁电路，无论其底层锁机制如何，均通过利用存储的秘密密钥实现。
• T1型TAAL攻击在激活后直接将秘密密钥暴露于主输出，无需复杂的信号传播。
• T2和T3型攻击依赖于对信号传播的精确控制，提高了隐蔽性，因副作用极低而更难被检测。
• 所提出的后门生成算法可产生大量潜在后门，使实际中自动化检测与过滤变得不可行。
• 硬件后门设计可通过所有标准制造测试，确保在制造前验证阶段保持不可见。
• 该攻击对未受信任的制造厂具有实际可行性，因其可从版图/掩模数据中提取网表，并在制造前插入后门。