A PUF based Lightweight Hardware Security Architecture for IoT

With an increasing number of hand-held electronics, gadgets, and other smart devices, data is present in a large number of platforms, thereby increasing the risk of security, privacy, and safety breach than ever before. Due to the extreme lightweight nature of these devices, commonly referred to as IoT or `Internet of Things\u27, providing any kind of security is prohibitive due to high overhead associated with any traditional and mathematically robust cryptographic techniques. Therefore, researchers have searched for alternative intuitive solutions for such devices. Hardware security, unlike traditional cryptography, can provide unique device-specific security solutions with little overhead, address vulnerability in hardware and, therefore, are attractive in this domain. As Moore\u27s law is almost at its end, different emerging devices are being explored more by researchers as they present opportunities to build better application-specific devices along with their challenges compared to CMOS technology. In this work, we have proposed emerging nanotechnology-based hardware security as a security solution for resource constrained IoT domain. Specifically, we have built two hardware security primitives i.e. physical unclonable function (PUF) and true random number generator (TRNG) and used these components as part of a security protocol proposed in this work as well. Both PUF and TRNG are built from metal-oxide memristors, an emerging nanoscale device and are generally lightweight compared to their CMOS counterparts in terms of area, power, and delay. Design challenges associated with designing these hardware security primitives and with memristive devices are properly addressed. Finally, a complete security protocol is proposed where all of these different pieces come together to provide a practical, robust, and device-specific security for resource-limited IoT systems

Comprehensive Designs of Innovate Secure Hardware Devices against Machine Learning Attacks and Power Analysis Attacks

Hardware security is an innovate subject oriented from growing demands of cybersecurity and new information vulnerabilities from physical leakages on hardware devices. However, the mainstream of hardware manufacturing industry is still taking benefits of products and the performance of chips as priority, restricting the design of hardware secure countermeasures under a compromise to a finite expense of overheads. Consider the development trend of hardware industries and state-of-the-art researches of architecture designs, this dissertation proposes some new physical unclonable function (PUF) designs as countermeasures to side-channel attacks (SCA) and machine learning (ML) attacks simultaneously. Except for the joint consideration of hardware and software vulnerabilities, those designs also take efficiencies and overhead problems into consideration, making the new-style of PUF more possible to be merged into current chips as well as their design concepts. While the growth of artificial intelligence and machine-learning techniques dominate the researching trends of Internet of things (IoT) industry, some mainstream architectures of neural networks are implemented as hypothetical attacking model, whose results are used as references for further lifting the performance, the security level, and the efficiency in lateral studies. In addition, a study of implementation of neural networks on hardware designs is proposed, this realized the initial attempt to introduce AI techniques to the designs of voltage regulation (VR). All aforementioned works are demonstrated to be of robustness to threats with corresponding power attack tests or ML attack tests. Some conceptional models are proposed in the last of the dissertation as future plans so as to realize secure on-chip ML models and hardware countermeasures to hybrid threats

Security Aspects of Printed Electronics Applications

Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt

Modelling Delay-based Physically Unclonable Functions through Particle Swarm Optimization

Recent advancements in low-cost cryptography have converged upon the use of nanoscale level structural variances as sources of entropy that is unique to each device. Consequently, such delay-based Physically Unclonable Functions or (PUFs) have gained traction for several cryptographic applications. In light of recent machine learning (ML) attacks on delay-based PUFs, the common trend among PUF designers is to either introduce non-linearity using XORs or input transformations applied on the challenges in order to harden the security of delay-based PUFs. Such approaches make machine learning modelling attacks hard by destroying the linear relationship between challenge-response pairs of a PUF. However, we propose to perceive PUFs, which are fundamentally viewed as Boolean functional mapping, as a set of delay parameters drawn from normal distribution. Using this newfound perception, we propose an alternative attack strategy in this paper. We show that instead of trying to learn the exact functional relationship between challenge-response pairs from a PUF, one can search through the search space of all PUFs to find alternative PUF delay parameter set that exhibits similar behaviour as the target PUF. The core intuition behind this strategy is that one can consider a PUF as a set of stages wherein, depending on the corresponding input challenge bit, one of the several signals within a PUF\u27s stage win a race condition. To utilize this idea, we develop a novel Particle Swarm Optimization based framework inspired by the biomimicry of amoebic reproduction. The proposed algorithm avoids the pitfalls of textbook Genetic Algorithms and demonstrates complete break of existing delay-based PUFs which are based on arbiter chains. More specifically, we are able to model higher-rder $k$-XOR PUF variants which are resistant to all-known ML modelling techniques, including $k=13, 15$ and $20$, without the knowledge of reliability values. In addition to that, we also model PUFs that incorporate input transformation, like variants of IPUF and LP-PUF. Furthermore, we take forward this idea across different search spaces in order to learn a higher order PUF using a lower order (and simpler) PUF architecture. This allows us to explore a novel class of attacks, including modelling a $k$-XOR PUF using a $(k-1)$-XOR PUF as well as bypassing input transformations based PUF designs

Cryptographic Primitives from Physical Variables

In this dissertation we explore a new paradigm emerging from the subtleties of cryptographic implementations and relating to theoretical aspects of cryptography. This new paradigm, namely physical variables (PVs), simply describes properties of physical objects designed to be identical but are not due to manufacturing variability. In the first part of this dissertation, we focus our attention on scenarios which require the unique identification of physical objects and we show how Gaussian PVs can be used to fulfill such a requirement. Using this framework we present and analyze a new technique for fingerprinting compact discs (CDs) using the manufacturing variability found in the length of the CDs\u27 lands and pits. Although the variability measured is on the order of 20 nm, the technique does not require the use of microscopes or any advanced equipment. Instead, the electrical signal produced by the photo-detector inside the CD reader will be sufficient to measure the desired variability. We thoroughly investigate the new technique by analyzing data collected from 100 identical CDs and show how to extract a unique fingerprint for each CD. In the second part, we shift our attention to physically parameterized functions (PPFs). Although all the constructions we provide are centered around delay-based physically unclonable functions (PUFs), we stress that the use of the term PUF could be misleading as most circuits labeled with the term PUF are in reality clonable on the protocol level. We argue that using a term like PPFs to describe functions parameterized by a PV is a more accurate description. Herein, we thoroughly analyze delay-PUFs and use a mathematical framework to construct two authentication protocols labeled PUF-HB and HB+PUF. Both these protocols merge the known HB authentication family with delay-based PUFs. The new protocols enjoy the security reduction put forth by the HB portion of the protocol and at the same time maintain a level of hardware security provided by the use of PUFs. We present a proof of concept implementation for HB+PUF which takes advantage of the PUF circuit in order to produce the random bits typically needed for an HB-based authentication scheme. The overall circuit is shown to occupy a few thousand gates. Finally, we present a new authentication protocol that uses 2-level PUF circuits and enables a security reduction which, unlike the previous two protocols, stems naturally from the usage of PVs