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

Roadmap on optical security

Postprint (author's final draft

Photonic Physical Unclonable Functions: From the Concept to Fully Functional Device Operating in the Field

The scope of this paper is to demonstrate a fully working and compact photonic Physical Unclonable Function (PUF) device capable of operating in real life scenarios as an authentication mechanism and random number generator. For this purpose, an extensive experimental investigation of a Polymer Optical Fiber (POF) and a diffuser as PUF tokens is performed and the most significant properties are evaluated using the proper mathematical tools. Two different software algorithms, the Random Binary Method (RBM) and Singular Value Decomposition (SVD), were tested for optimized key extraction and error correction codes have been incorporated for enhancing key reproducibility. By taking into consideration the limitations and overall performance derived by the experimental evaluation of the system, the designing details towards the implementation of a miniaturized, energy efficient and low-cost device are extensively discussed. The performance of the final device is thoroughly evaluated, demonstrating a long-term stability of 1 week, an operating temperature range of 50C, an exponentially large pool of unique Challenge-Response Pairs (CRPs), recovery after power failure and capability of generating NIST compliant true random numbers

Analysis of Data Remanence and Power-up States of SRAM Cells in Embedded Systems

Contrary to popular assumption, Static RAM (SRAM), the main memory in most modern microcontrollers, temporarily retains its contents after power is lost. Instead of an immediate erase, SRAM data progressively degrades over a period (from milliseconds to several minutes at low temperatures) when power is cut o . This e ect, known as data remanence, is exploited by cold boot attacks, which are hardware-level threads that target encryption keys and other sensitive data stored in SRAM. On power-up, SRAM cells spontaneously set to unpredictable 0 or 1-states. These initial SRAM values describe a unique binary pattern that reveals a physical ngerprint of the device. Physical Unclonable Functions (PUFs) take advantage of this inherent process to obtain cryptographic keys or identi ers directly out of the chips, o ering a cost-e ective solution and a more secure alternative to conventional key-storage based on non-volatile memories. Moreover, SRAM power-up states may also be used as a source of randomness for True Random Number Generators (TRNGs). This Master's Thesis addresses these two security-related topics regarding SRAM modules in embedded systems. First, this project aims to investigate the vulnerability against cold-boot attacks of modern low-power devices, which is directly related to their low-temperature SRAM data remanence characteristics. Second, to assess the feasibility of implementing a PUF and a TRNG from SRAM power-up states. Both analyses consider the impact of temperature variations and are particularized for SRAM modules embedded in PIC18F4520 microcontrollers. Two sets of experiments are performed to generate the data required by both studies. The experimental setup and methodology are entirely designed and implemented within this project. The control of the execution of the experiments and the post-processing of the data are performed using MATLAB. Then, a set of metrics for characterizing SRAM data remanence are de ned, and a general methodology for SRAM-PUF and TRNG evaluation is established. The characterization of SRAM data remanence reveals that unprotected PIC18F4520 microcontrollers could be vulnerable to cold-boot attacks at temperatures below 0 C and that similar behaviour could be expected from same-range devices. The evaluation of the SRAM power-up states characteristics indicates that implementing an SRAM-PUF in PIC18F4520 microcontrollers could be feasible. In contrast, insu cient randomness appears to be contained in PIC18F4520 SRAM power-up states for a TRNG implementation to be viable in practic

Trusted Cameras on Mobile Devices Based on SRAM Physically Unclonable Functions

Nowadays, there is an increasing number of cameras placed on mobile devices connected to the Internet. Since these cameras acquire and process sensitive and vulnerable data in applications such as surveillance or monitoring, security is essential to avoid cyberattacks. However, cameras on mobile devices have constraints in size, computation and power consumption, so that lightweight security techniques should be considered. Camera identification techniques guarantee the origin of the data. Among the camera identification techniques, Physically Unclonable Functions (PUFs) allow generating unique, distinctive and unpredictable identifiers from the hardware of a device. PUFs are also very suitable to obfuscate secret keys (by binding them to the hardware of the device) and generate random sequences (employed as nonces). In this work, we propose a trusted camera based on PUFs and standard cryptographic algorithms. In addition, a protocol is proposed to protect the communication with the trusted camera, which satisfies authentication, confidentiality, integrity and freshness in the data communication. This is particularly interesting to carry out camera control actions and firmware updates. PUFs from Static Random Access Memories (SRAMs) are selected because cameras typically include SRAMs in its hardware. Therefore, additional hardware is not required and security techniques can be implemented at low cost. Experimental results are shown to prove how the proposed solution can be implemented with the SRAM of commercial Bluetooth Low Energy (BLE) chips included in the communication module of the camera. A proof of concept shows that the proposed solution can be implemented in low-cost cameras.España, Ministerio de Ciencia e Innovación TEC2014-57971-R TEC2017-83557-

Functional mobile-based two-factor authentication by photonic physical unclonable functions

Given the rapid expansion of the Internet of Things and because of the concerns around counterfeited goods, secure and resilient cryptographic systems are in high demand. Due to the development of digital ecosystems, mobile applications for transactions require fast and reliable methods to generate secure cryptographic keys, such as Physical Unclonable Functions (PUFs). We demonstrate a compact and reliable photonic PUF device able to be applied in mobile-based authentication. A miniaturized, energy-efficient, and low-cost token was forged of flexible luminescent organic–inorganic hybrid materials doped with lanthanides, displaying unique challenge–response pairs (CRPs) for two-factor authentication. Under laser irradiation in the red spectral region, a speckle pattern is attained and accessed through conventional charge-coupled cameras, and under ultraviolet light-emitting diodes, it displays a luminescent pattern accessed through hyperspectral imaging and converted to a random intensity-based pattern, ensuring the two-factor authentication. This methodology features the use of a discrete cosine transform to enable a low-cost and semi-compact encryption system suited for speckle and luminescence-based CRPs. The PUF evaluation and the authentication protocol required the analysis of multiple CRPs from different tokens, establishing an optimal cryptographic key size (128 bits) and an optimal decision threshold level that minimizes the error probability.publishe