FPGA 패브릭의 부분 재구성을 대상으로 하는 지속적인 오류 주입 공격

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본 논문에서는 FPGA의 동적 재구성 프로세스, 특히 멀티 테넌트 환경에서 재구성 관리자(RM)를 통해 부분 비트스트림을 로드하는 동안 지속적인 오류를 주입하는 새로운 공격 방법론을 제시합니다.

Resumen

FPGA 패브릭의 부분 재구성을 대상으로 하는 지속적인 오류 주입 공격 분석

본 논문은 FPGA의 동적 재구성 프로세스, 특히 멀티 테넌트 환경에서 재구성 관리자(RM)를 통해 부분 비트스트림을 로드하는 동안 지속적인 오류를 주입하는 새로운 공격 방법론을 제시하는 연구 논문입니다.

본 연구의 주요 목표는 멀티 테넌트 FPGA 환경에서 악의적인 사용자가 FPGA의 부분 재구성 프로세스를 악용하여 다른 사용자의 비트스트림에 지속적인 오류를 주입할 수 있음을 보여주는 것입니다.

본 연구에서는 Xilinx Pynq FPGA 보드를 사용하여 실험을 진행했습니다. 공격자는 FPGA의 전력 분배 네트워크(PDN)에 전압 강하를 일으키는 전력 낭비 회로를 사용하여 부분 비트스트림이 RM을 통해 로드되는 동안 오류를 주입합니다.

Ideas clave extraídas de

Hacking the Fabric: Targeting Partial Reconfiguration for Fault Injection in FPGA Fabrics

by Jayeeta Chau... a las arxiv.org 10-23-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.16497.pdf

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FPGA의 동적 재구성 프로세스를 악용할 수 있는 다른 방법은 무엇일까요?

본 논문에서 제시된 공격 이외에도 FPGA의 동적 재구성 프로세스를 악용할 수 있는 방법은 다양합니다. 몇 가지 예시는 다음과 같습니다.

악성 비트스트림 삽입: 악의적인 사용자가 재구성 프로세스 중에 악성 비트스트림을 삽입하여 FPGA의 기능을 변경하거나, 기밀 데이터를 유출하거나, 시스템을 마비시킬 수 있습니다. 이는 재구성 과정에서 비트스트림의 무결성을 검증하는 메커니즘이 부족할 경우 발생할 수 있습니다.
재구성 프로세스 타이밍 공격: 공격자가 재구성 프로세스의 특정 단계에서 발생하는 타이밍 차이나 전력 소비량 변화를 분석하여 시스템 정보를 유출하거나, 오류를 유발하거나, 재구성 프로세스 자체를 방해할 수 있습니다.
재구성 매니저 공격: 재구성 매니저(RM)는 FPGA의 재구성 프로세스를 관리하는 중요한 구성 요소입니다. 공격자가 RM의 취약점을 악용하여 악성 코드를 주입하거나, 재구성 프로세스를 제어하거나, 시스템을 마비시킬 수 있습니다.
물리적 공격: 물리적으로 FPGA에 접근할 수 있는 공격자는 재구성 프로세스를 가로채거나, 변경하거나, 차단할 수 있습니다. 이를 통해 악성 비트스트림을 주입하거나, 기존 비트스트림을 손상시키거나, 시스템을 사용할 수 없도록 만들 수 있습니다.

FPGA 제조업체는 하드웨어 또는 소프트웨어 수준에서 이러한 공격을 완화하기 위해 어떤 조치를 취할 수 있을까요?

FPGA 제조업체는 하드웨어 및 소프트웨어 수준에서 다양한 보안 조치를 통해 이러한 공격을 완화할 수 있습니다.
하드웨어 수준:

보안 재구성 매니저: 안전한 부팅 프로세스, 암호화된 비트스트림 저장, 무결성 검증 기능을 갖춘 전용 보안 재구성 매니저를 구현하여 악성 비트스트림 삽입 및 재구성 매니저 공격을 방지할 수 있습니다.
물리적 보호 메커니즘: 탬퍼 방지 패키징, 칩 내부의 중요 영역에 대한 물리적 보호 기능, 센서 기반 침입 감지 시스템을 통해 물리적 공격으로부터 FPGA를 보호할 수 있습니다.
전력 및 타이밍 분석 방지: 전력 소비량 및 타이밍 정보를 은닉하거나 무작위화하는 하드웨어 기반 기술을 사용하여 전력 및 타이밍 분석 공격을 방지할 수 있습니다.
소프트웨어 수준:

보안 부트 프로세스: FPGA 구성 프로세스를 보호하기 위해 암호화 서명된 비트스트림만 로드하도록 하여 악성 비트스트림 삽입을 방지할 수 있습니다.
런타임 무결성 검증: FPGA 구성의 무결성을 주기적으로 검증하고, 의심스러운 활동이 감지되면 시스템을 안전한 상태로 되돌리거나 재구성하는 메커니즘을 구현하여 공격을 조기에 감지하고 완화할 수 있습니다.
액세스 제어: FPGA 리소스에 대한 세분화된 액세스 제어를 구현하여 권한이 없는 사용자 또는 프로세스가 중요한 구성을 변경하거나 악성 작업을 수행하는 것을 방지할 수 있습니다.

본 논문에서 제시된 공격 방법은 FPGA 기반 시스템의 보안에 대한 근본적인 질문을 던집니다. 즉, 동적으로 재구성 가능한 하드웨어에서 보안과 유연성 사이의 균형을 어떻게 맞출 수 있을까요?

이는 매우 중요한 질문입니다. 동적 재구성은 FPGA의 핵심적인 장점이지만, 동시에 보안 취약점을 야기할 수 있습니다. 보안과 유연성 사이의 균형을 맞추기 위해서는 다음과 같은 접근 방식을 고려해야 합니다.

보안 중심 설계: FPGA 기반 시스템을 설계할 때부터 보안을 최우선으로 고려해야 합니다. 잠재적인 위협을 분석하고, 적절한 보안 메커니즘을 구현하고, 보안 검증을 수행해야 합니다.
계층적 보안: 단일 보안 메커니즘에 의존하는 대신, 여러 계층의 보안을 구현하여 공격의 성공 가능성을 최소화해야 합니다. 예를 들어, 암호화, 인증, 액세스 제어, 무결성 검증 등을 함께 사용할 수 있습니다.
위험 기반 접근 방식: 모든 공격을 막는 것은 현실적으로 어렵기 때문에, 시스템에 가장 큰 위협이 되는 공격에 집중하는 것이 중요합니다. 위험 평가를 통해 시스템의 취약점과 잠재적인 공격을 파악하고, 이에 대한 적절한 보안 조치를 취해야 합니다.
지속적인 연구 개발: FPGA 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 새로운 공격 기법 또한 등장하고 있습니다. 따라서 보안과 유연성 사이의 균형을 유지하기 위해서는 지속적인 연구 개발을 통해 새로운 위협에 대응할 수 있는 새로운 보안 기술을 개발해야 합니다.
궁극적으로 보안과 유연성 사이의 최적의 균형점은 특정 FPGA 기반 시스템의 요구 사항과 제약 조건에 따라 달라질 것입니다.