[论文解读] Towards Reverse Engineering Reversible Logic

Samah Mohamed Saeed, Xiaotong Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 5被引用 8

一句话总结

本文提出一种安全度量——嵌入数量（number of embeddings），用于逆向工程可逆逻辑电路，证明功能综合相比结构综合能生成更安全的电路。通过引入输入/输出混淆技术，显著提高嵌入模糊性，极大增加逆向工程难度，尤其在基于BDD的电路中表现明显，同时利用真实基准测试量化了量子代价与抗逆向工程能力之间的权衡。

ABSTRACT

Reversible logic has two main properties. First, the number of inputs is equal to the number of outputs. Second, it implements a one-to-one mapping; i.e., one can reconstruct the inputs from the outputs. These properties enable its applications in building quantum computing architectures. In this paper, we study reverse engineering of reversible logic circuits, including reverse engineering of non-reversible functions embedded into reversible circuits. We propose the number of embeddings of non-reversible functions into a reversible circuit as the security metric for reverse engineering. We analyze the security benefits of automatic synthesis of reversible circuits. We use our proposed security metric to show that the functional synthesis approaches yield reversible circuits that are more resilient to reverse engineering than the structural synthesis approaches. Finally, we propose scrambling of the inputs and outputs of a reversible circuit to thwart reverse engineering.

研究动机与目标

• 分析可逆逻辑电路在逆向工程攻击下的脆弱性，特别是针对嵌入其中的非可逆函数。
• 提出将可能的嵌入数量作为新型安全度量，以量化对逆向工程的抵抗能力。
• 评估并比较通过功能综合与结构综合方法生成的可逆电路在安全韧性方面的差异。
• 提出并评估输入/输出混淆技术，以增加嵌入模糊性并阻碍逆向工程。
• 量化混淆可逆电路中安全、量子代价与电路复杂度之间的权衡。

提出的方法

• 将嵌入数量定义为非可逆函数映射到可逆电路的唯一方式数量，作为核心安全度量。
• 设计一种攻击方法，通过利用BDD基可逆电路的结构分解与香农分解特性，实现对其逆向工程。
• 通过在综合前添加额外辅助输入来实现输入混淆，从而增加攻击者必须考虑的潜在输入赋值数量。
• 通过添加额外的垃圾输出来应用输出混淆，增加可能的输出映射数量，从而提升嵌入模糊性。
• 使用真实基准测试比较QMDD与BDD基综合方法的安全性，同时测量嵌入数量与量子代价。
• 实验评估混淆技术对嵌入数量与量子代价的影响，涵盖多种基准函数与电路规模。

实验结果

研究问题

• RQ1 可逆电路的可能嵌入数量如何随所采用的综合方法而变化？
• RQ2 攻击者在多大程度上可利用结构分析逆向工程基于BDD的可逆电路？
• RQ3 输入或输出混淆如何影响可逆电路的嵌入数量与量子代价？
• RQ4 在现实威胁模型下，功能综合与结构综合哪种方法能提供更好的逆向工程抵抗能力？
• RQ5 混淆技术能否有效提升逆向工程的复杂度，而不会带来不可接受的开销？

主要发现

• 功能综合方法生成的可逆电路嵌入数量显著多于结构综合方法，使其对逆向工程更具韧性。
• 基于BDD的可逆电路由于其结构分解特性，更容易受到逆向工程攻击，其嵌入数量少于QMDD基电路。
• 输入混淆可显著增加嵌入数量，尤其在BDD基电路中，通过扩大潜在输入赋值数量实现。
• 输出混淆产生的嵌入数量高于输入混淆，但量子代价更高，尤其在BDD基电路中更为明显。
• 增加额外辅助输入或垃圾输出可大幅膨胀嵌入数量，使大型电路的逆向工程在计算上变得不可行。
• QMDD基可逆电路虽然量子代价更高，但由于嵌入数量更多，对逆向工程的抵抗能力也强于BDD基电路。