[论文解读] Timing Attack Resilient Decoding Algorithms for Physical Unclonable Functions

Sven Puchinger, Sven Müelich+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对物理不可克隆函数（PUFs）的抗时序攻击解码算法，采用级联编码方案中的里德-所罗门码列表解码技术。通过将解码半径扩展至超过最小距离的一半，该方法在保持恒定执行时间的同时，实现了比以往方案更低的块错误率，其恒定时间执行通过基于排列的掩码和算法硬化实现，从而在侧通道威胁下实现安全的密钥恢复。

ABSTRACT

This paper deals with the application of list decoding of Reed--Solomon codes to a concatenated code for key reproduction using Physical Unclonable Functions. The resulting codes achieve a higher error-correction performance at the same code rate than known schemes in this scenario. We also show that their decoding algorithms can be protected from side-channel attacks on the runtime both by masking techniques and by directly modifying the algorithms to have constant runtime.

研究动机与目标

• 在现有方案的基础上，提升基于PUF的密钥恢复系统中的纠错性能。
• 保护解码算法免受利用可变运行时间的时序侧通道攻击的影响。
• 通过基于排列的汉明距离计算掩码，实现对侧通道泄漏的信息论安全性。
• 实现在具有侧通道防护能力的真实硬件中，高性能PUF的实用化部署。
• 为在PUF系统中集成高级软判决解码技术（如Kötter–Vardy解码）奠定基础。

提出的方法

• 在级联编码方案中使用里德-所罗门码的列表解码，将解码半径扩展至超过最小距离的一半，从而提升纠错能力。
• 通过随机排列码字来掩码汉明距离计算的顺序，确保无论实际码字为何，执行时间均保持恒定。
• 将文献[7]中的掩码技术应用于列表解码过程，证明其可提供对时序攻击的信息论安全性。
• 定义一个排列后的码字列表，并以排列顺序计算其与接收码字的汉明距离，从而保留对真实码字的不确定性。
• 利用以下性质：对所有码字和接收码字加上一个码字后，汉明距离在排列下保持不变，从而确保不可区分性。
• 提出形式化证明，表明即使攻击者观察到按顺序排列的汉明距离列表，码字的条件微熵仍保持不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统解码方法相比，里德-所罗门码的列表解码是否能提升基于PUF的密钥恢复场景中的块错误率性能？
• RQ2 能否在不牺牲性能的前提下，使解码算法对时序侧通道攻击具备抵抗力？
• RQ3 在存在时序泄漏的情况下，掩码汉明距离计算顺序是否能保持信息论安全性？
• RQ4 所提出的恒定时间解码方法能否以最小开销集成到现有PUF架构中？
• RQ5 当攻击者观察到所有码字到接收码字的有序汉明距离列表时，安全性的理论保证是什么？

主要发现

• 所提出的列表解码方案由于将解码半径扩展至超过最小距离的一半，在PUF场景中实现了比现有码和解码器更低的块错误概率。
• 基于码字随机排列的掩码技术确保，即使攻击者观察到汉明距离的有序列表，码字的条件微熵仍保持不变。
• 证明表明，即使观察到排列后的汉明距离，对真实码字的不确定性也不会降低，从而确认了信息论安全性。
• 通过以排列顺序处理码字，可使解码算法实现恒定时间，从而消除时序侧通道泄漏。
• 该方法与高级解码算法（如Kötter–Vardy软判决解码器）兼容，可能进一步提升性能。
• 该方法为在实用的基于PUF的密钥管理系统中集成高性能、抗侧通道的解码机制奠定了基础。