Tirer parti du masquage logique pour faciliter les méthodes de détection des chevaux de Troie hardware

Leveraging Logic Masking to Facilitate Hardware Trojan Detection Methods

• Auteur / Autrice : Arash Nejat
• Direction : Vincent Beroulle, David Hély
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 22/01/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Lilian Bossuet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giorgio Di Natale
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Danger, Lionel Torres

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cybercriminalité

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Circuits intégrés

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Sécurité

Circuit intégré

Conception microélectronique

Système embarqué

Hardware security

Trusted computing

Secure IC

Résumé

La complexité sans cesse croissante de la conception et de la fabrication de circuits intégrés (CI) a nécessité l'emploi de tiers tels que des bureaux d'études, des fournisseurs de propriété intellectuelle (PI) et des fonderies de fabrication afin d'accélérer et d'économiser le processus de développement. La séparation de ces parties entraîne certaines menaces pour la sécurité. Les fonderies de fabrication non fiables sont suspectées de trois menaces de sécurité: chevaux de Troie matériels, piratage IP et surproduction de circuits intégrés. Les chevaux de Troie matériels sont des modifications de circuits malveillants dans les schémas de circuits intégrés destinés à des objectifs de sabotage.Certaines modifications de la conception de circuits intégrés, appelées Design-for-Trust (DfTr), ont été proposées pour faciliter les méthodes de détection des chevaux de Troie ou empêcher leur insertion. En outre, des modifications basées sur des clés, connues sous le nom de masquage ou d’obscurcissement de conception, ont été proposées pour protéger les IP / CI contre le piratage IP et la surproduction de CI. Ils masquent la fonctionnalité des circuits en les modifiant de telle sorte qu’ils ne fonctionnent pas correctement sans une clé adéquate.Dans cette thèse, nous proposons trois méthodes DfTr basées sur l’utilisation de l’approche de masquage pour empêcher l’insertion de chevaux de Troie. La première méthode DfTr proposée vise à maximiser l’obscurité et à minimiser simultanément les comptes de signaux rares dans les circuits sous masquage. Les signaux rares ayant à peine des transitions lors du fonctionnement du circuit, leur utilisation risque de ne pas activer et détecter facilement les chevaux de Troie matériels lors des tests de circuit. La deuxième proposition de DfTr facilite les méthodes de détection de chevaux de Troie basés sur l’analyse de retard de chemin. Comme le retard des chemins les plus courts varie moins que les plus longs », l’objectif est de générer de faux chemins courts pour des réseaux qui appartiennent uniquement à des chemins longs en réaffectant les éléments de masquage. Nos expériences montrent que cette méthode DfTr augmente la détectabilité des chevaux de Troie dans les circuits modifiés et offre également les avantages des méthodes de masquage. La troisième méthode DfTr a pour objectif de faciliter la détection des chevaux de Troie basés sur une analyse de puissance. Dans un circuit masqué par le procédé proposé, on a plus de contrôle sur l'activité de commutation des différentes parties du circuit. Par exemple, on peut cibler une partie du circuit, augmenter son activité de commutation et simultanément réduire l’activité de commutation des autres parties; Par conséquent, si la pièce cible inclut un cheval de Troie matériel, son activité de commutation et donc sa consommation d'énergie augmentent, bien que la consommation totale d'énergie du circuit diminue en raison des faibles taux d'activité de commutation dans la plupart des parties du circuit. Lorsque le circuit consomme moins d'énergie, le bruit de la mesure de puissance s'atténue. Le bruit peut perturber l’observation des effets des chevaux de Troie sur la consommation électrique des circuits infectés par les chevaux de Troie.De plus, dans cette thèse, nous présentons un outil de CAO capable d’exécuter divers algorithmes de masquage sur des listes de réseau au niveau de la porte. L'outil peut également effectuer une simulation logique et estimer la surface de circuit, la consommation d'énergie et les performances au niveau de la porte.

The ever-increasing complexity of integrated circuits (ICs) design and manufacturing has necessitated the employment of third parties such as design-houses, intellectual property (IP) providers and fabrication foundries to accelerate and economize the development process. The separation of these parties results in some security threats. Untrustworthy fabrication foundries are suspected of three security threats: hardware Trojans, IP piracy, and IC overproduction. Hardware Trojans are malicious circuitry alterations in IC layouts intended for sabotage objectives.Some IC design modifications, known as Design-for-Trust (DfTr) have been proposed to facilitate Trojan detection methods or prevent Trojan insertion. In addition, key-based modifications, known as design masking or obfuscation, have been proposed to protect IPs/ICs from IP piracy and IC overproduction. They obscure circuits’ functionality by modifying circuits such that they do not correctly work without being fed with a correct key.In this thesis, we propose three DfTr methods based on leveraging the masking approach to hinder Trojan insertion. The first proposed DfTr method aims to maximize obscurity and simultaneously minimize the rare signal counts in circuits under masking. Rare signals barely have transitions during circuit operations and so the use of them causes hardware Trojans will not be easily activated and detected during circuit tests. The second proposed DfTr facilitates path delay analysis-based Trojan detection methods. Since the delay of shorter paths varies less than longer ones’, the objective is to generate fake short paths for nets which only belong to long paths by repurposing the masking elements. Our experiments show that this DfTr method increases the Trojan detectability in modified circuits and also provides the advantages of masking methods. The aim of the third DfTr method is to facilitate power-analysis-based Trojan detection. In a masked circuit by the proposed method, one has more control over the switching activity of the different circuit parts. For instance, one can target one part of the circuit, increase its switching activity, and simultaneously decrease the other parts’ switching activity; consequently, if the target part includes an hardware Trojan, its switching activity and so power consumption rises, although the total power consumption of the circuit goes down due to low switching activity rates in most parts of the circuit. When the circuit consumes less power, the power measurement noise abates. The noise can disturb to observe Trojans’ effects on the power consumption of Trojan-infected circuits.In addition, in this thesis, we introduce a CAD tool that can run various masking algorithms on gate-level netlists. The tool can also perform logic simulation and estimate circuit area, power consumption, and performance at the gate level.