A Unified Multibit PUF and TRNG based on Ring Oscillators for Secure IoT Devices

Physically Unclonable Functions (PUFs) and True Random Number Generators (TRNGs) are cryptographic primitives very well suited for secure IoT devices. This paper proposes a circuit, named multibit-RO-PUF-TRNG, which offers the advantages of unifying PUF and TRNG in the same design. It is based on counting the oscillations of pairs of ring oscillators (ROs), one of them acting as reference. Once the counter of the reference oscillator reaches a fixed value, the count value of the other RO is employed to provide the TRNG and the multibit PUF response. A mathematical model is presented that supports not only the circuit foundations but also a novel and simple calibration procedure that allows optimizing the selection of the design parameters. Experimental results are illustrated with large datasets from two families of FPGAs with different process nodes (90 nm and 28 nm). These results confirm that the proposed calibration provides TRNG and PUF responses with high quality. The raw TRNG bits do not need post-processing and the PUF bits (even 6 bits per RO) show very small aliasing. In the application context of obfuscating and reconstructing secrets generated by the TRNG, the multibit PUF response, together with the proposal of using error-correcting codes and RO selection adapted to each bit, provide savings of at least 79.38% of the ROs compared to using a unibit PUF without RO selection. The proposal has been implemented as an APB peripheral of a VexRiscv RV32I core to illustrate its use in a secure FPGA-based IoT device

Automated Design Space Exploration and Datapath Synthesis for Finite Field Arithmetic with Applications to Lightweight Cryptography

Today, emerging technologies are reaching astronomical proportions. For example, the Internet of Things has numerous applications and consists of countless different devices using different technologies with different capabilities. But the one invariant is their connectivity. Consequently, secure communications, and cryptographic hardware as a means of providing them, are faced with new challenges. Cryptographic algorithms intended for hardware implementations must be designed with a good trade-off between implementation efficiency and sufficient cryptographic strength. Finite fields are widely used in cryptography. Examples of algorithm design choices related to finite field arithmetic are the field size, which arithmetic operations to use, how to represent the field elements, etc. As there are many parameters to be considered and analyzed, an automation framework is needed. This thesis proposes a framework for automated design, implementation and verification of finite field arithmetic hardware. The underlying motif throughout this work is “math meets hardware”. The automation framework is designed to bring the awareness of underlying mathematical structures to the hardware design flow. It is implemented in GAP, an open source computer algebra system that can work with finite fields and has symbolic computation capabilities. The framework is roughly divided into two phases, the architectural decisions and the automated design genera- tion. The architectural decisions phase supports parameter search and produces a list of candidates. The automated design generation phase is invoked for each candidate, and the generated VHDL files are passed on to conventional synthesis tools. The candidates and their implementation results form the design space, and the framework allows rapid design space exploration in a systematic way. In this thesis, design space exploration is focused on finite field arithmetic. Three distinctive features of the proposed framework are the structure of finite fields, tower field support, and on the fly submodule generation. Each finite field used in the design is represented as both a field and its corresponding vector space. It is easy for a designer to switch between fields and vector spaces, but strict distinction of the two is necessary for hierarchical designs. When an expression is defined over an extension field, the top-level module contains element signals and submodules for arithmetic operations on those signals. The submodules are generated with corresponding vector signals and the arithmetic operations are now performed on the coordinates. For tower fields, the submodules are generated for the subfield operations, and the design is generated in a top-down fashion. The binding of expressions to the appropriate finite fields or vector spaces and a set of customized methods allow the on the fly generation of expressions for implementation of arithmetic operations, and hence submodule generation. In the light of NIST Lightweight Cryptography Project (LWC), this work focuses mainly on small finite fields. The thesis illustrates the impact of hardware implementation results during the design process of WAGE, a Round 2 candidate in the NIST LWC standardization competition. WAGE is a hardware oriented authenticated encryption scheme. The parameter selection for WAGE was aimed at balancing the security and hardware implementation area, using hardware implementation results for many design decisions, for example field size, representation of field elements, etc. In the proposed framework, the components of WAGE are used as an example to illustrate different automation flows and demonstrate the design space exploration on a real-world algorithm

On Security Notions for Multi-Party Computation

Die meisten Sicherheitsbegriffe, die heutzutage benutzt werden, stammen aus den 1980ern. Doch durch ein seitdem besseres Verständnis der Theorie stellt sich die Frage, ob sie nicht weiterentwickelt werden können. Ein begrenzender Faktor sind hierbei sogenannte Unmöglichkeitsbeweise, die mathematisch beweisen, welche Sicherheitsgarantien nicht erfüllt werden können. Diese liefern einen begrenzenden Faktor, ihre Aussage sollte jedoch nicht übertrieben werden. Der Beweis ist nur in seinem eigenen Setting gültig und deckt nur genau den einen Sicherheitsbegriff ab. Historisch haben sich die etablierten Sicherheitsbegriffe jedoch zu etwas deutlich schwächerem entwickelt, wodurch eine Lücke zwischen dem entstanden ist, was praktisch benutzt wird, und dem, was bekanntermaßen unmöglich ist. In dieser Promotion zeigen wir einige dieser Lücken auf und untersuchen Sicherheitsbegriffe, die mit Sicherer Mehrparteienberechnung (MPC) zusammenhängen, und die zwischen den Etablierten und den Unmöglichen liegen. Abbildung von Geschäftsmodellen und Gesetzlichen Regelungen in MPC. Mit Sicherer Mehrparteienberechnung (MPC) können Parteien eine Funktion über privaten Eingaben auf sichere Weise so berechnen, dass nichts über die Eingaben der anderen Parteien bekannt wird außer die Ausgabe der Funktion. Heutzutage hat MPC nur einen vergleichsweise geringen Mehraufwand im Vergleich zur direkten Berechnung. Und obwohl Datensparsamkeit in der Praxis belohnt wird, wird MPC kaum benutzt. Wir glauben dass einer der Gründe dafür, dass MPC in Praxis kaum benutzt wird, darin liegt, dass es Geschäftsmodelle und gesetzliche Regelungen ignoriert die eine gewisse Leakage der Daten benötigen, während allgemeines MPC auf fast-perfekte Privatsphäre hinarbeitet. Wir präsentieren einen neuen Baustein, der es Geschäften---die durch einen zentralen Operator repräsentiert werden---ermöglicht, effizient die gewünschte Menge an Leakage abzubilden, die benötigt wird, um das Geschäft aufrechtzuerhalten oder um gesetzliche Vorgaben zu erfüllen, während Nutzer anonym und ohne durch mehrere Interaktionen hinweg verlinkt werden können Daten sammeln. Wir modellieren die Anforderungen im Universal Composability (UC) Framework. Dadurch wird garantiert, dass die Sicherheitsgarantien unabhängig davon halten, welche Protokolle parallel ausgeführt werden. Trotz dieser starken Sicherheitsgarantien ist das Protokoll dabei effizient genug, um auf moderner Hardware ausgeführt zu werden, selbst wenn der Nutzer die Daten auf Smartphones mit beschränkter Rechenleistung sammeln. (Fetzer, Keller, Maier, Raiber, Rupp, Schwerdt, PETS 2022) Eine Instantiierung stärkerer Commitments. Mit einem Bit Commitment Schema kann sich ein Sender gegenüber eines Empfängers auf ein Bit festlegen, ohne das dabei zu offenbaren (hiding), aber auf eine Art die es dem Sender nicht erlaubt, den Empfänger später davon zu überzeugen, dass das Commitment auf ein anderes Bit festgelegt wurde (binding). In der Quantenwelt sind Commitments stark genug, um MPC zu konstruieren, weswegen es einen Anreiz gibt, Commitments so sicher wie möglich zu machen; jedoch sagen Unmöglichkeitsbeweise aus, dass beide Sicherheitsbegriffe -- hiding und binding -- gleichzeitig nicht bedingungslos halten können. Als Konsequenz weichen moderne Bit Commitment Schemas eine Sicherheitseigenschaft auf, die dann nur noch computationally halten, also auf Grundlage komplexitätstheoretischer Annahmen. Wir stellen das erste Bit Commitment Protokoll im Quantum Random Oracle Modle (QROM) vor, das bedingungslose Sicherheit für den Empfänger (binding) und langfristige Sicherheit für den Sender (hiding) bietet und das dabei keine Zusatzhardware benötigt. Unser Resultat basiert auf einer neuen Annahme über die Schwierigkeit, Quantenzustände über einen langen Zeitraum zu speichern. Langfristige Sicherheit modelliert technischen Fortschritt des Angreifers, da Transkripte, die heutzutage nicht effizient gebrochen werden können, in Zukunft vielleicht einfach extrahierbar sind, sobald schnellere Maschinen verfügbar sind. Wir beweisen die Sicherheit des Commitment Protokolls im QROM unter oben genannter Annahme und zeigen, dass eine Instantiierung im Standardmodell zu einem neuen Angriff auf die langfristige Hiding-Eigenschaft zulässt. (Döttling, Koch, Maier, Mechler, Müller, Müller-Quade, Tiepelt, IN EINREICHUNG) Undetectable Multi-Party Computation. Covert MPC ist eine Erweiterung von MPC, die nicht nur die Eingaben versteckt, sondern das gesamte Vorhandensein der Berechnung. Teilnehmer lernen nur dann die Ausgabe, wenn alle anderen Parteien das Protokoll ausgeführt haben und die Ausgabe für alle Parteien vorteilhaft ist. Anderenfalls lernen die Teilnehmer nichts, nicht mal, welche anderen Parteien versucht haben, an der Berechnung teilzunehmen. Ein einzelner Nichtteilnehmer kann unabsichtlich die gesamte Berechnung abbrechen. Daher stellt sich die Frage: können $N$ Teilnehmer eine Berechnung ausführen, während $K > N$ Parteien anwesend sind, und bei der die Ausgabe nur von den Eingaben der $N$ Teilnehmer abhängt, während die Identität der anderen Teilnehmer unter den anwesenden Parteien versteckt wird? Dies sollte insbesondere dann gelten, wenn die restlichen Parteien nicht wissen, dass eine Berechnung im Gang ist. Wir verknüpfen diese Frage mit der theoretischen Machbarkeit von Anonymen Whistleblowing, bei dem eine einzelne Partei versucht, eine Nachricht preiszugeben, ohne dabei die eigene Identität zu offenbaren und ohne dass sich die anderen Parteien auf irgendeine besondere Art verhalten müssen. Leider zeigen wir dass keine Primitive sowohl Korrektheit und Anonymität mit überwältigender Wahrscheinlichkeit im asymptotischen Setting erreichen kann, selbst unter sehr starken Annahmen. Jedoch konstruieren wir eine heuristische Instantiierung im Fine-Grained setting mit überwältigender Korrektheit und jeder beliebigen Ziel-Anonymität. Unsere Ergebnisse liefern starke Grundlagen für die Untersuchung der Möglichkeit von Anonymen Nachrichtentransfer durch authentifizierte Kanäle, ein faszinierendes Ziel von dem wir glauben, dass es von grundlegendem Interesse ist. (Agrikola, Couteau, Maier, TCC 2022

Practical homomorphic encryption over the integers for secure computation in the cloud

We present novel homomorphic encryption schemes for integer arithmetic, intended primarily for use in secure single-party computation in the cloud. These schemes are capable of securely computing arbitrary degree polynomials homomorphically. In practice, ciphertext size and running times limit the polynomial degree, but this appears sufficient for most practical applications. We present four schemes, with increasing levels of security, but increasing computational overhead. Two of the schemes provide strong security for high-entropy data. The remaining two schemes provide strong security regardless of this assumption. These four algorithms form the first two levels of a hierarchy of schemes, and we also present the general cases of each scheme. We further elaborate how a fully homomorphic system can be constructed from one of our general cases. In addition, we present a variant based upon Chinese Remainder Theorem secret sharing. We detail extensive evaluation of the first four algorithms of our hierarchy by computing low-degree polynomials. The timings of these computations are extremely favourable by comparison with even the best of existing methods and dramatically outperform many well-publicised schemes. The results clearly demonstrate the practical applicability of our schemes

Circuit approaches to physical cryptography

Projecte realitzat en col.laboració amb el centre Technische Universität MünchenNowadays keeping information safe is one of the most important research topics in Computer Science and Information Technology. Consequently, many techniques of Cryptography and Security are continually being proposed. In this thesis we will investigate a novel approach to Cryptography, Physical Cryptography: This suggests the application of optical and electrical nanostructures to cryptography and security, to complement standard, algorithmic procedures. Using physical objects enables security solutions with novel features. This thesis focuses on the introduction and analysis of two specific techniques related to Physical Cryptography: SHIC (Super High Information content) systems allow the user to keep a high amount of information safe from external attacks: The architecture of these circuits forces an extremely slow-read out of the data. This specific characteristic prevents the system from being completely characterized by the attacker when this has gained temporal access to the circuit. UNIQUE objects are the other field to study in this work: Here, only small amount of information is protected. Its fast internal speed makes it physically impossible to being reproduced or imitated by an intruder. We will present two techniques and propose possible physical circuits that implement SHIC and UNIQUE: SPICE and Sentaurus TCAD simulators will be used for making analog-circuit and device-level simulations respectively, in order to study and conclude the feasibility of both proposals

Design Techniques for High Performance Wireline Communication and Security Systems

As the amount of data traffic grows exponentially on the internet, towards thousands of exabytes by 2020, high performance and high efficiency communication and security solutions are constantly in high demand, calling for innovative solutions. Within server communication dominates todays network data transfer, outweighing between-server and server-to-user data transfer by an order of magnitude. Solutions for within-server communication tend to be very wideband, i.e. on the order of tens of gigahertz, equalizers are widely deployed to provide extended bandwidth at reasonable cost. However, using equalizers typically costs the available signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver side. What is worse is that the SNR available at the channel becomes worse as data rate increases, making it harder to meet the tight constraint on error rate, delay, and power consumption. In this thesis, two equalization solutions that address optimal equalizer implementations are discussed. One is a low-power high-speed maximum likelihood sequence detection (MLSD) that achieves record energy efficiency, below 10 pico-Joule per bit. The other one is a phase-shaping equalizer design that suppresses inter-symbol interference at almost zero cost of SNR. The growing amount of communication use also challenges the design of security subsystems, and the emerging need for post-quantum security adds to the difficulties. Most of currently deployed cryptographic primitives rely on the hardness of discrete logarithms that could potentially be solved efficiently with a powerful enough quantum computer. Efficient post-quantum encryption solutions have become of substantial value. In this thesis a fast and efficient lattice encryption application-specific integrated circuit is presented that surpasses the energy efficiency of embedded processors by 4 orders of magnitude.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/146092/1/shisong_1.pd

Practical Homomorphic Encryption Over the Integers for Secure Computation in the Cloud

We present novel homomorphic encryption schemes for integer arithmetic, intended primarily for use in secure single-party computation in the cloud. These schemes are capable of securely computing arbitrary degree polynomials homomorphically. In practice, ciphertext size and running times limit the polynomial degree, but this appears sufficient for most practical applications. We present four schemes, with increasing levels of security, but increasing computational overhead. Two of the schemes provide strong security for high-entropy data. The remaining two schemes provide strong security regardless of this assumption. These four algorithms form the first two levels of a hierarchy of schemes which require linearly decreasing entropy. We have evaluated these four algorithms by computing low-degree polynomials. The timings of these computations are extremely favourable by comparison with even the best of existing methods, and dramatically out-perform running times of directly comparable schemes by a factor of up to 1000, and considerably more than that for fully homomorphic schemes, used in the same context. The results clearly demonstrate the practical applicability of our schemes