ハードウェアトロイの木馬の検出：新しいアプローチ

ハードウェア設計のセキュリティは、特にハードウェアトロイの木（HT）のような脅威が大きなリスクをもたらす今、ますます重要になっている。HTは集積回路（IC）の中で隠された改変で、チップの動作を変更することがあり、情報を盗んだり妨害を引き起こしたりする悪意のある理由で行われることが多い。この記事では、これらの隠れた脅威を効果的に見つける新しい視点を紹介する。

#探索者のジレンマ

「探索者のジレンマ」と呼ばれる概念を導入する。これは、HTを検出する問題を理解するための新しいアプローチだ。このシナリオでは、検出をゲームのように考える。2人のプレイヤーがいて、1人は回路にHTを隠す「隠者」、もう1人はそれを見つけようとする「探索者」だ。主な質問は、探索者が回路が改ざんされているかどうかを効率的に特定し、HTが存在しない場合のミスを最小限に抑えるにはどうすれば良いかということ。

1. ゲーム: このゲームでは、隠者は任意の数のHTを隠すことができ、探索者は限られた数の質問を使って回路を探さなければならない。隠者は検出を難しくしようとし、探索者は隠れた脅威を見つけようとする。

2. 確率: 探索者が回路をテストすると、異なる結果が得られる。HTを見つける場合もあれば、見つけない場合もある。これらの結果は、偽陽性（HTがないのにHTがあると思うこと）や真陰性（HTがないと正しく特定すること）として分類できる。目標は偽陽性を最小限に抑えることだ。偽陽性は回路への不必要な不信を招く可能性があるからだ。

#より良い検出方法の必要性

現在のHT検出方法は既知のベンチマークに依存していることが多い。つまり、隠者と探索者の両方がHTが隠される可能性のある場所について事前の知識を持っている。このため、探索者が見つけやすくなっているが、HTが予想外の方法で隠される現実のシナリオを反映していない。

#現在のベンチマークの欠点

多くの従来のベンチマークはあまりにも単純すぎる。研究者にHTがどこにあるかを正確に教え、その結果、検出が容易になる。しかし、実際にはもっと複雑だ。この問題に対処するために、Seeker1と呼ばれる新しいベンチマークを作成した。これはHTが隠されているかどうかわからないさまざまな回路で構成されている。このベンチマークは、検出方法をテストするためのより現実的な環境を提供することを目指している。

#ベンチマークの作成

Seeker1ベンチマークは、電子設計で広く使用されているISCAS-85の回路を使用して作成された。これらの回路を再構成するためにいくつかの技術を用いた。アイデアは、回路の元の機能を維持しつつ、存在するかもしれないHTを隠すことだ。

#機能的再構成技術

回路の構造を変更するためにいくつかの方法が適用された：

1. 構造ハッシュ化: この方法は、回路をよりコンパクトな形に変換して詳細を隠す。

2. バランシング: ここでは、信号処理の遅延を最小限に抑えることを目指し、HTを検出しにくくする。

3. 書き換え: 回路の一部を簡略化して、HTが挿入された場所を目立たなくする。

4. 再代入: 書き換えに似ているが、複雑なコンポーネントをより単純なものと置き換えることに焦点を当てる。

5. リファクタリング: 機能を変えずに回路のサイズを減らすための反復プロセス。

その結果、HTの配置が明白でない回路のシリーズが得られた。

#検出方法の評価

Seeker1を使用して、さまざまな最先端のHT検出ツールをテストした。これには、回路がHTがないか感染しているかを分類する精度を評価する方法が含まれている。

#使用した検出ツール

テストしたツールは次の通り：

• HW2VEC: このツールは機械学習アルゴリズムを用いてハードウェア設計を分析し、HTを特定する。

• RLHTDETECT: HTを見つけることを目的としたテストベクターを開発するために強化学習を使用するツール。

• DETERRENT: 回路の動作に基づいてHTを探す別の検出方法。

これらのツールを私たちのベンチマークで評価することによって、より現実的な条件下でどの方法が最も効果的であるかを測定できる。

#ベンチマークテストからの結果

私たちのテストでは、さまざまな検出ツールが異なる効果を示した。

#結果の概要

• HW2VEC: 受け取ったトレーニングデータに基づいてさまざまな成功度を達成した。HT感染回路とHT非感染回路のバランスの取れたセットでトレーニングされた時にはより良い結果を示したが、特定のHTに対してはまだ苦労していた。

• RLHTDETECT: 一般的に、HTを特定する際にDETERRENTを上回り、マルチ基準検出アプローチの異なる強みを示した。

• DETERRENT: 効果的ではあるが、RLHTDETECTほど一貫性がなく、さまざまなテストで不足していた。

#結果の分析

結果はHT検出の複雑さを示している。HT感染回路とHT非感染回路の混在により、検出ツールがHTを一貫して特定するのが難しくなった。感染回路の中のHT非感染回路の存在がさらに課題を増やした。

#多様なデータの重要性

私たちの研究は、検出ツールのトレーニングに多様なデータセットが必要であることを強調している。検出器が特定のタイプの回路だけで訓練されると、偏りが生じて他の設計のHTを検出できなくなる可能性がある。

#今後の研究への提言

HT検出能力を向上させるために、研究者は以下に焦点を当てるべきだ：

1. データソースの拡大: さまざまな構成とHT挿入技術を持つ回路を調査する。

2. 新しい検出戦略の開発: 異なる回路設計やHTの行動に適応できる新しいアルゴリズムを考案する。

3. 現実世界の条件を理解する: 実際の製造プロセスでHTがどのように挿入され、検出されるかをより現実的に反映する方法を調整する。

#結論

探索者のジレンマは、HT検出に対する新しいアプローチを示し、隠れた脅威が簡単には特定できない現実のシナリオの複雑さを強調している。より現実的なベンチマークを作成し、さまざまな検出方法をテストすることで、ハードウェア設計のセキュリティを改善することを目指している。私たちの発見は、データセットや方法の多様性の重要性を訴え、今後の研究が悪意のある改変に対してハードウェアセキュリティを強化するために必須であることを示唆している。この旅は続いており、これらの洞察が将来的にHT検出のためのより良いツールや技術に繋がることを期待している。