طراحي امن مدارهاي ديجيتال براي پيش گيري از درج تروجان سخت افزاري با استفاده از ابهام زايي

دكتري

امروزه قطعات الكترونيكي بخش جدايي‌ناپذيري از زندگي انسان شده‌اند كه اطلاعات حساس و محرمانه¬ در آن¬ها ذخيره مي¬شوند. به¬ويژه بكارگيري اين قطعات در مدارهاي حياتي و حساس هواپيماها، زير‌ساخت¬ كارخانه¬هاي بزرگ، تجهيزات پزشكي، ابزارهاي نظامي و دفاعي و...، مخاطرات امنيتي آن¬ها را جدي‌تر كرده، چرا كه گاهي منجر به آسيب¬هاي جبران‌ناپذيري مي¬شوند. دو چالش اساسي در اين راستا براي متخصصان حوزه امنيت سخت‌افزار وجود دارد. يكي، وجود آسيب¬پذيري¬هاي امنيتي سخت‌افزار به دليل برون¬سپاري ساخت قطعات الكترونيكي براي تامين سريع و ارزان آن¬ها مي¬باشد كه زمينه بروز مخاطرات امنيتي متعددي، همانند سرقت هسته¬ي معنوي آي¬پي مدار، امكان ساخت و تكثير غيرمجاز، سوء استفاده و دستكاري سخت‌افزار و نهايتا درج تروجان سخت‌افزاري را فراهم مي¬كند. ديگري، كاهش اندازه و ميزان تأخير قطعات الكترونيكي مبتني بر فناوري ساخت مدارهاي ¬مجتمع است كه آن¬ها را با كمبود فضاي سخت‌افزاري و محدوديت تأخير مواجه مي‌كند. البته، راه¬حل¬هاي متعددي براي امنيت سخت‌افزار مطرح مي‌باشد كه ابهام‌زايي سخت‌افزاري بدليل پيچيده كردن مهندسي معكوس و كاهش دسترسي مهاجم به نت¬ليست اصلي، بيشتر مورد توجه است. در ابهام‌زايي سخت‌افزاري با افزودن منطق ¬اضافي به مدار، نت-ليست اصلي (ساختار و عملكرد ) آن براي مهاجم مبهم مي¬شود. تكنيك قفل منطق كه يكي از روش¬هاي ابهام‌زايي است، با درج دروازه¬هاي كليد به نت¬ليست اصلي و پنهان نمودن عملكرد و ساختار مدار مانع دسترسي مهاجم به آن مي‌شود. فقط در صورتي مدار درست كار مي¬كند كه كليد صحيح اعمال شود و در غير اين¬صورت مدار در حالت مبهم قرار مي¬گيرد. راه¬حل¬هايي كه در سال¬هاي اخير براي ابهام‌زايي مدارهاي مجتمع مطرح شده‌اند داراي سرباري سخت‌افزاري بالا و تأخير زياد مي¬باشند و اين در حالي است كه متناسب با تكنيك¬هاي امنيتي، حملات نيز به¬روز مي¬شوند. از اين رو لازم است كه تعادلي ميان سرباري سخت‌افزاري و مقاومت در برابر حملات برقرار گردد. به عبارت ¬ديگر، مي¬بايست علاوه بر بالا بردن سطح امنيت سخت‌افزار، سرباري فضاي مصرفي و تاخير را كاهش داد. در اين پژوهش با در نظر گرفتن چالش¬¬هاي سخت‌افزاري مانند كمبود فضاي مصرفي، محدوديت تاخير، سوء استفاده و تكثير غير مجاز و درج تروجان سخت‌افزاري، راه¬كاري براي بالا بردن سطح امنيت براي تمامي اجزاي مدارهاي مجتمع ارائه شده است. اين راه¬كار شامل امنيت هسته‌اي پي مدار و پيش¬گيري از درج تروجان سخت‌افزاري در نت-ليست سطح گيت و ماشين حالت متناهي مي¬باشد. لازم بذكر است، در روش ارائه شده هم سرباري سخت افزاري كاهش پيدا كرده و هم مقاومت قابل قبولي در برابر حملات مطرح مانند حملات ارضاء بولي(SAT ) فراهم شده است. براي اين¬منظور، با افزودن تعداد بهينه دروازه كليد و حالت مبهم در مدار سرباري فضاي مصرفي و تاخير كاهش يافته است. براي امنيت هسته آي¬پي و جلوگيري از سوءاستفاده و تكثير غير مجاز آن، از روش واترماركينگ مبتني بر رمزنگاري با الگوريتم منحني¬هاي بيضوي استفاده شده است. با طراحي مدار جمع‌كننده و با استفاده از كدگذاري داده، سرعت در حدود 13% و فضاي مصرفي در حدود 15% كاهش يافته است. هم¬چنين، براي پيش¬گيري از درج تروجان سخت‌افزاري در نت¬ليست سطح گيت مدار، سيگنال‌هايي با تست¬پذيري پايين، به روش درج تداخلي در مسيرهايي با بيشترين انشعاب، قفل‌گذاري شده‌اند. راه‌كار ارائه‌شده، علاوه بر اين¬كه مقاومت قابل قبولي در برابر حملات SAT دارد، سرباري سخت‌افزاري را حدود 5% و تأخير را حدود 4% كاهش داده است. در انتها نيز، با استفاده از روش-هاي ابهام‌زايي ماشين حالت مدار، تعداد حالات و انتقال¬هاي مدار براي مهاجم مبهم مي¬شود. راه‌كار ارائه‌شده، علاوه بر اين كه در مقايسه با روش‌هاي مشابه از سطح امنيت بالاتري برخوردار است، حدود 7% سرباري سخت افزاري و حدود 4% تأخير كمتر نسبت به روش‌هاي مشابه ايجاد كرده است. در عين فراهم كردن سطح قابل قبولي از مقاومت در برابر حملات، فضاي مصرفي و تاخير كاهش يافته است.

231486

دانشگاه اصفهان

مهندسي كامپيوترـ معماري كامپيوتر

شهرام اعتمادي بروجني