Untersuchung von Logic Locking im MiG-V Prozessor

Logic-Locking ist 'ne Methode, um empfindliche Hardware-Designs zu schützen, besonders in der Herstellungsphase. Dabei werden geheime Schlüssel hinzugefügt, die steuern, wie die Schaltung funktioniert. Nur der ursprüngliche Designer kennt diesen Schlüssel, was hilft, das Design vor unzuverlässigen Herstellern und anderen potenziellen Bedrohungen zu schützen. Der MiG-V-Prozessor ist ein RISC-V-Prozessor, der für hochsichere Anwendungen entwickelt wurde, und damit der erste kommerziell verfügbare, logic-locked Prozessor.

Diese Technologie zielt darauf ab, unbefugten Zugriff und Änderungen am Design zu verhindern, was zu ernsthaften Problemen wie Hardware-Trojanern führen könnte. Diese Trojaner können die Funktionsweise der Hardware verändern und empfindliche Daten durchsickern lassen. Trotz dieser Schutzmassnahmen gibt es Bedenken hinsichtlich der Vertraulichkeit von Daten, die von logic-locked Geräten während ihres Betriebs verarbeitet werden.

#Das Problem Verstehen

Der MiG-V wurde entwickelt, um Sicherheit in Hardware-Designs zu gewährleisten, aber er wurde nicht genug untersucht, wie die Logik-Verschlüsselung die Sicherheit sensibler Daten während seiner Arbeit beeinflusst. Die Forschung dahinter beinhaltet zu prüfen, ob das Ändern des Verschlüsselungsschlüssels Angreifern Zugang zu vertraulichen Informationen verschaffen kann.

Durch die Veränderung nur eines Bits des Logikschlüssels während des Betriebs von kryptografischen Algorithmen haben Forscher herausgefunden, dass es möglich ist, den gesamten kryptografischen Verschlüsselungsschlüssel preiszugeben. Diese Offenbarung zeigt einen erheblichen Fehler in der Logik-Verriegelungstechnik auf und unterstreicht die Notwendigkeit besserer Sicherheitsevaluierungen, die über das blosse Wiederherstellen des Logikschlüssel hinausgehen.

#Die Bedeutung von Sicherheit im Hardware-Design

Heutzutage ist das Design von integrierten Schaltungen für die Technologie entscheidend. Die Herstellungsprozesse müssen schnell und kosteneffektiv sein. Das hat dazu geführt, dass Firmen auf externe Hilfe für Design und Fertigung angewiesen sind, was mehrere Sicherheitsrisiken mit sich bringt. Diese Risiken umfassen Diebstahl von geistigem Eigentum und die Möglichkeit, dass Hardware-Trojaner in die Designs eingefügt werden.

Logic-Locking dient als Lösung für diese Probleme, indem das Design von einem geheimen Schlüssel abhängt, den nur der ursprüngliche Besitzer kennt. Wenn der Schlüssel jedoch entdeckt wird, könnte ein Angreifer das Design zurückverfolgen und schädliche Änderungen vornehmen.

#Das Design des MiG-V Prozessors

Der MiG-V-Prozessor wurde von einer Firma in Deutschland entwickelt, die ein sicheres Hardware-Design zusammen mit einem verifiziertem Software-Stack bereitstellen wollte. Dieser Prozessor nutzt Logic-Locking, um sich gegen Bedrohungen von unzuverlässigen Fabriken und Designhäusern zu verteidigen. Logic-Locking wird auf speziellen, entscheidenden Teilen des Prozessors angewendet, um Risiken zu minimieren und gleichzeitig die Gesamtleistung aufrechtzuerhalten.

Allerdings könnten solche Massnahmen, selbst wenn sie dazu gedacht sind, den Prozessor zu schützen, Risiken für die Vertraulichkeit der Daten einführen. Das liegt daran, dass die Schlösser unbeabsichtigt Schwachstellen schaffen können, die während des Designprozesses unbemerkt bleiben.

#Forschungsfokus

Um zu erkunden, wie Logic-Locking den MiG-V während seiner Betriebsphase beeinflusst, untersucht die Forschung speziell die Beziehung zwischen dem Logikschlüsseln und sensiblen Daten während kryptografischer Prozesse. Das Ziel war herauszufinden, wie Änderungen am Schlüssel vertrauliche Informationen wie Verschlüsselungsschlüssel Angreifern offenbaren könnten.

Obwohl es verschiedene Studien zu Angriffen gibt, die die Sicherheit der Hardware bedrohen, zielt diese Forschung darauf ab, direkte Datenlecks zu finden, die durch die Logic-Locking-Verfahren selbst verursacht werden, anstatt das Verschlüsselungsschema zu brechen.

#Evaluationsmethodik

Die Bewertung beinhaltete systematisches Ändern einzelner Bits des 1024-Bit-Logikschlüssels, um zu beobachten, wie der MiG-V reagierte. Der Prozess umfasste die Verwendung kryptografischer Anwendungen, um zu prüfen, ob Änderungen am Schlüssel dazu führen, dass die Ausgabe sensible Informationen preisgibt, anstatt die erwarteten verschlüsselten Daten.

Für jede einzelne Bitänderung wurde ein Skript verwendet, um das Bit zu flippen, während die anderen intakt blieben. Sobald der geänderte Schlüssel angewendet wurde, wurden die kryptografischen Anwendungen ausgeführt und die Ausgaben auf Anomalien überwacht.

#Ergebnisse der Evaluation

Während der Bewertung führten Änderungen am Logikschlüssel oft dazu, dass der MiG-V-Prozessor sich nicht richtig verhielt oder sogar nicht bootete. Aus den getesteten Bit-Flips führten viele zu Kommunikationsfehlern, die die Verbindungen zum Gerät deaktivierten.

Es gab jedoch spezifische Fälle, in denen Änderungen am Schlüssel zu Leaks sensibler Informationen führten. Zum Beispiel während eines Versuchs, Ausgaben eines bestimmten Verschlüsselungsschemas zu erfassen, wurden signifikante Teile des Verschlüsselungsschlüssels versehentlich ausgegeben, anstatt nur den Chiffretext.

Das zeigt, dass selbst eine kleine Modifikation am Logikschlüssel zu schwerwiegenden Sicherheitsrisiken führen kann, die unbefugten Zugriff auf wichtige Daten ermöglichen.

#Der Einfluss von Bit-Flips auf die Sicherheit

Die Studie identifizierte zwei bemerkenswerte Schwachstellen während der Tests, insbesondere mit einer Verschlüsselungsanwendung namens ChaCha. Durch inkorrektes Setzen von Bits im Logikschlüssel gab der Prozessor die Hälfte des Verschlüsselungsschlüssels und in einem anderen Fall den gesamten Schlüssel preis. Die Fehler wurden darauf zurückgeführt, wie die Logikgatter die Anweisungen interpretierten.

Wenn der Logikschlüssel verändert wird, kann sich die Art und Weise, wie der Prozessor Befehle interpretiert und ausführt, drastisch ändern, was es Angreifern ermöglicht, sensible Informationen zu sehen, die verborgen bleiben sollten.

#Implementierung von Hardware-Trojanern

Die Forschung untersuchte auch das Potenzial für einen Hardware-Trojaner, der den Logikschlüssel nach der Produktion ändern könnte. Selbst wenn das Design anfangs den Zugriff auf den Schlüssel einschränkt, könnte ein Angreifer das Design dennoch so gestalten, dass er während der Herstellung Zugriff darauf erhält.

Dieser Trojaner würde im Betrieb agieren und dem Benutzer ermöglichen, von dem korrekten Logikschlüssel auf eine schädliche Version umzuschalten, was zu möglichen Datenlecks führen könnte. Auf diese Weise reicht die Bedrohung durch Trojaner über die ursprünglichen Absichten von Logic-Locking hinaus und zeigt, dass Schwachstellen in den Designs in praktischen Szenarien ausgenutzt werden können.

#Ergebnisse und Fazit

Diese Studie deckt erhebliche Schwachstellen auf, die mit der Logic-Locking-Technik im MiG-V-Prozessor verbunden sind. Sie weist auf die Mängel aktueller Logic-Locking-Schemata hin, die zu Datenlecks führen können, und betont die Notwendigkeit gründlicher Bewertungen der Sicherheitsmerkmale, nachdem solche Techniken angewendet wurden.

Obwohl der MiG-V für Sicherheit konzipiert wurde, zeigen die Ergebnisse, dass Logic-Locking die Vertraulichkeit sensibler Daten unter realen Bedingungen gefährden kann. Zukünftige Bemühungen sollten sich darauf konzentrieren, ein umfassenderes Evaluierungsframework zu schaffen, das potenzielle Sicherheitsrisiken berücksichtigt, die während der Implementierung von Logic-Locking eingeführt werden.

#Zukünftige Forschungsrichtungen

Um auf diesen Ergebnissen aufzubauen, könnte weitere Forschung das Testen anderer sicherer Systeme, einschliesslich solcher mit robusten Kernen, umfassen, um besser zu verstehen, wie sich Logic-Locking auf die Datenvertraulichkeit auswirkt. Durch die Erweiterung des Untersuchungsbereichs könnten neue Schwachstellen entdeckt werden, die zu besseren Sicherheitspraktiken im Hardware-Design führen.

Insgesamt ist das Ziel sicherzustellen, dass Fortschritte im Hardware-Schutz nicht unbeabsichtigt neue Schwachstellen schaffen, die von Angreifern ausgenutzt werden könnten. Die Ergebnisse zeigen nicht nur die Bedeutung von Logic-Locking, sondern auch die Notwendigkeit fortlaufender Bewertungen und Anpassungen der Sicherheitsmassnahmen, während sich die Technologie weiterentwickelt.