2차 오류주입 공격에 대한 Redundancy 기반대응기법의 안전성 검증에 관한연구 = A Study on the Security Verification of Redundancy-Based Countermeasures Against Second-Order Fault Injection Attacks

국문 초록 (Abstract)

임베디드 시스템의 확산으로 현대 암호 기술의 중요성이 커졌으나, 수학적 안전성과 달리 물리적인 오류주입 공격에 대한 취약성은 심각한 위협으로 남아있다. 이러한 공격에 대응하기 위해 다양한 기법과 자동화된 검증 프레임워크가 제안되었지만 기존 연구들은 몇 가지 한계를 지니고 있다.
첫 번째로 레지스터 값을 변경하는 데이터 변조 또는 명령어 실행을 건너 뛰는 프로그램 흐름 변조 중 한 가지 오류모델에 집중하고 있으며 두 가지를 포괄적으로 분석하는 프레임워크는 드물다. 또한, 기존 대응기법을 우회하기 위해 고차 오류주입 공격이 현실적인 위협으로 부상했음에도 불구하고 대부분의 분석은 단일 오류주입에만 한정되어 있다. 세 번째로, 공격 성공 여부를 판단할 명확한 기준이 부재하여 취약점 판정을 대부분 사용자의 경험에 위임하는 문제가 존재한다.
이에 본 연구에서는 데이터 변조와 프로그램 흐름 변조를 모두 포함하는 복합적인 오류모델을 사용하는 2차 오류주입 공격 검증 방법을 제안한다. 제안하는 방법론은 Redundancy 기반 대응기법의 잠재적인 공격을 파악하고 이를 바탕으로 시뮬레이션을 수행한다. 또한, 안전한 출력에 대한 지표와 기준을 세워 이를 통해 평가를 수행한다. 제안된 방법론의 유효성을 입증하기 위해 기존 1차 및 2차 오류주입 대응기법에 이를 적용하여 안전성을 비교 분석하였다. 실험 결과, 본 연구에서 제안한 방법론이 각 대응기법의 취약점을 효과적으로 식별하고 보안 강도를 적절하게 평가함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

While the proliferation of embedded systems has increased the importance of modern cryptography, its vulnerability to physical fault injection attacks, in contrast to its mathematical security, remains a significant threat. Although various countermeasures and automated verification frameworks have been proposed to address these attacks, existing research exhibits several limitations.
First, most frameworks focus on a single fault model, either Data Corruption, which alters register values, or Control-Flow Corruption, which skips instruction execution, and rarely analyze both comprehensively. Second, despite the emergence of Higher-Order Fault Attacks as a realistic threat to bypass existing countermeasures, most analyses are confined to single fault injections. Third, the absence of clear criteria for determining a successful attack leads to a reliance on the user's empirical judgment for vulnerability assessment.
To overcome these limitations, this paper proposes a novel verification methodology for second-order fault injection attacks based on a Compound Fault Model that encompasses both data and control-flow corruption. The proposed methodology identifies all potential attack vectors in redundancy-based countermeasures and evaluates their security through simulation. Furthermore, it performs a quantitative analysis based on clear metrics and criteria for secure outputs. To validate the proposed methodology, it was applied to existing first and second-order fault injection countermeasures for a comparative security analysis. The experimental results confirm that our methodology effectively identifies the vulnerabilities of each countermeasure and objectively assesses their security strength.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 배경 지식 4
• 2.1. AES(Advanced Encryption Standard) 5
• 2.2. 차분 오류분석(Differential Fault Analysis, DFA) 7
• 2.3. 차분 오류분석 대응기법 9
• 2.3.1. Redundancy 기반 대응기법 10
• 2.3.2. 2차 Redundancy 기반 대응기법 14
• 2.4. 오류주입 안전성 검증 방법 19
• 제3장 제안하는 오류주입 시뮬레이션 평가방법 24
• 3.1. 오류모델 24
• 3.2. 2차 오류주입 공격 시나리오 26
• 3.2.1 AA 시나리오 27
• 3.2.2 AB 시나리오 28
• 3.3. 안전성 검증 지표 및 기준 29
• 3.3.1. 단순 출력 검사 29
• 3.3.2. 자체 난수성 검사 31
• 3.3.3. 독립성 검사 32
• 제4장 실험 및 실험 결과 34
• 4.1. 공격 시나리오 AA 실험 결과 35
• 4.1.1 시나리오 AA에 대한 단순 출력 검사 결과 35
• 4.1.2 시나리오 AA에 대한 자체 난수성 검사 결과 37
• 4.1.3 시나리오 AA에 대한 독립성 검사 결과 39
• 4.2. 공격 시나리오 AB 실험 결과 41
• 4.2.1 시나리오 AB에 대한 단순 출력 검사 결과 41
• 4.2.2 시나리오 AB에 대한 자체 난수성 검사 결과 43
• 4.2.3 시나리오 AB에 대한 독립성 검사 결과 45
• 제5장 결론 및 향후 연구 47
• 참고문헌 49
• 영문초록 53