A Survey on Lightweight Entity Authentication with Strong PUFs

Physically unclonable functions (PUFs) exploit the unavoidable manufacturing variations of an integrated circuit (IC). Their input-output behavior serves as a unique IC \u27fingerprint\u27. Therefore, they have been envisioned as an IC authentication mechanism, in particular the subclass of so-called strong PUFs. The protocol proposals are typically accompanied with two PUF promises: lightweight and an increased resistance against physical attacks. In this work, we review nineteen proposals in chronological order: from the original strong PUF proposal (2001) to the more complicated noise bifurcation and system of PUFs proposals (2014). The assessment is aided by a unied notation and a transparent framework of PUF protocol requirements

A Lockdown Technique to Prevent Machine Learning on PUFs for Lightweight Authentication

We present a lightweight PUF-based authentication approach that is practical in settings where a server authenticates a device, and for use cases where the number of authentications is limited over a device's lifetime. Our scheme uses a server-managed challenge/response pair (CRP) lockdown protocol: unlike prior approaches, an adaptive chosen-challenge adversary with machine learning capabilities cannot obtain new CRPs without the server's implicit permission. The adversary is faced with the problem of deriving a PUF model with a limited amount of machine learning training data. Our system-level approach allows a so-called strong PUF to be used for lightweight authentication in a manner that is heuristically secure against today's best machine learning methods through a worst-case CRP exposure algorithmic validation. We also present a degenerate instantiation using a weak PUF that is secure against computationally unrestricted adversaries, which includes any learning adversary, for practical device lifetimes and read-out rates. We validate our approach using silicon PUF data, and demonstrate the feasibility of supporting 10, 1,000, and 1M authentications, including practical configurations that are not learnable with polynomial resources, e.g., the number of CRPs and the attack runtime, using recent results based on the probably-approximately-correct (PAC) complexity-theoretic framework

AUTHENTICATED KEY ESTABLISHMENT PROTOCOL FOR CONSTRAINED SMART HEALTHCARE SYSTEMS BASED ON PHYSICAL UNCLONABLE FUNCTION

Smart healthcare systems are one of the critical applications of the internet of things. They benefit many categories of the population and provide significant improvement to healthcare services. Smart healthcare systems are also susceptible to many threats and exploits because they run without supervision for long periods of time and communicate via open channels. Moreover, in many implementations, healthcare sensor nodes are implanted or miniaturized and are resource-constrained. The potential risks on patients/individuals’ life from the threats necessitate that securing the connections in these systems is of utmost importance. This thesis provides a solution to secure end-to-end communications in such systems by proposing an authenticated key establishment protocol. The main objective of the protocol is to examine how physical unclonable functions could be utilized as a lightweight root of trust. The protocol’s design is based on rigid security requirements and inspired by the vulnerability of physical unclonable function to machine learning modeling attacks as well as the use of a ratchet technique. The proposed protocol verification and analysis revealed that it is a suitable candidate for resource-constrained smart healthcare systems. The proposed protocol’s design also has an impact on other important aspects such as anonymity of sensor nodes and gateway-lose scenario

A PUF-and biometric-based lightweight hardware solution to increase security at sensor nodes

Security is essential in sensor nodes which acquire and transmit sensitive data. However, the constraints of processing, memory and power consumption are very high in these nodes. Cryptographic algorithms based on symmetric key are very suitable for them. The drawback is that secure storage of secret keys is required. In this work, a low-cost solution is presented to obfuscate secret keys with Physically Unclonable Functions (PUFs), which exploit the hardware identity of the node. In addition, a lightweight fingerprint recognition solution is proposed, which can be implemented in low-cost sensor nodes. Since biometric data of individuals are sensitive, they are also obfuscated with PUFs. Both solutions allow authenticating the origin of the sensed data with a proposed dual-factor authentication protocol. One factor is the unique physical identity of the trusted sensor node that measures them. The other factor is the physical presence of the legitimate individual in charge of authorizing their transmission. Experimental results are included to prove how the proposed PUF-based solution can be implemented with the SRAMs of commercial Bluetooth Low Energy (BLE) chips which belong to the communication module of the sensor node. Implementation results show how the proposed fingerprint recognition based on the novel texture-based feature named QFingerMap16 (QFM) can be implemented fully inside a low-cost sensor node. Robustness, security and privacy issues at the proposed sensor nodes are discussed and analyzed with experimental results from PUFs and fingerprints taken from public and standard databases.Ministerio de Economía, Industria y Competitividad TEC2014-57971-R, TEC2017-83557-

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus