Efficient Erasable PUFs from Programmable Logic and Memristors

At Oakland 2013, Rührmair and van Dijk showed that many advanced PUF (Physical Unclonable Function)-based security protocols (e.g. key agreement, oblivious transfer, and bit commitment) can be vulnerable if adversaries get access to the PUF and reuse the responses used in the protocol after the protocol execution. This observation implies the necessity of erasable PUFs for realizing secure PUF-based protocols in practice. Erasable PUFs are PUFs where the responses of any single challenge-response pair (CRP) can be selectively and dedicatedly erased, without affecting any other responses. In this paper, we introduce two practical implementations of erasable PUFs: Firstly, we propose a full-fledged logical version of an erasable PUF, called programmable logically erasable PUF or PLayPUF, where an additional constant-size trusted computing base keeps track of the usage of every single CRP. Knowing the query history of each CRP, a PLayPUF interface can \textit{automatically} erase an individual CRP, if it has been used for a certain number of times. This threshold can be programmed a-priori to limit the usage of a given challenge in the future before erasure. Secondly, we introduce two nanotechnological, memristor-based solutions: mrSHIC-PUFs and erasable mrSPUFs. The mrSHIC-PUF is a weak PUF in terms of the size of CRP space, and therefore its readout speed has to be limited intentionally to prolong the time for exhaustive reading. However, each individual response can be {\it physically} altered and erased for good. The erasable mrSPUF, as the second proposed physical erasable PUF, is a strong PUF in terms of the size of CRP space, such that no limit on readout speed is needed, but it can only erase/alter CRPs in groups. Both of these two physical erasable PUFs improve over the state-of-the-art erasable SHIC PUF, which does not offer reconfigurability of erased CRPs making the erasable SHIC PUF less practical. In passing, we contextualize and locate our new PUF type in the existing landscape, illustrating their essential advantages over variants like reconfigurable PUFs

An overview of memristive cryptography

Smaller, smarter and faster edge devices in the Internet of things era demands secure data analysis and transmission under resource constraints of hardware architecture. Lightweight cryptography on edge hardware is an emerging topic that is essential to ensure data security in near-sensor computing systems such as mobiles, drones, smart cameras, and wearables. In this article, the current state of memristive cryptography is placed in the context of lightweight hardware cryptography. The paper provides a brief overview of the traditional hardware lightweight cryptography and cryptanalysis approaches. The contrast for memristive cryptography with respect to traditional approaches is evident through this article, and need to develop a more concrete approach to developing memristive cryptanalysis to test memristive cryptographic approaches is highlighted.Comment: European Physical Journal: Special Topics, Special Issue on "Memristor-based systems: Nonlinearity, dynamics and applicatio

Low-power emerging memristive designs towards secure hardware systems for applications in internet of things

Emerging memristive devices offer enormous advantages for applications such as non-volatile memories and in-memory computing (IMC), but there is a rising interest in using memristive technologies for security applications in the era of internet of things (IoT). In this review article, for achieving secure hardware systems in IoT, low-power design techniques based on emerging memristive technology for hardware security primitives/systems are presented. By reviewing the state-of-the-art in three highlighted memristive application areas, i.e. memristive non-volatile memory, memristive reconfigurable logic computing and memristive artificial intelligent computing, their application-level impacts on the novel implementations of secret key generation, crypto functions and machine learning attacks are explored, respectively. For the low-power security applications in IoT, it is essential to understand how to best realize cryptographic circuitry using memristive circuitries, and to assess the implications of memristive crypto implementations on security and to develop novel computing paradigms that will enhance their security. This review article aims to help researchers to explore security solutions, to analyze new possible threats and to develop corresponding protections for the secure hardware systems based on low-cost memristive circuit designs

Nano-intrinsic security primitives for internet of everything

With the advent of Internet-enabled electronic devices and mobile computer systems, maintaining data security is one of the most important challenges in modern civilization. The innovation of physically unclonable functions (PUFs) shows great potential for enabling low-cost low-power authentication, anti-counterfeiting and beyond on the semiconductor chips. This is because secrets in a PUF are hidden in the randomness of the physical properties of desirably identical devices, making it extremely difficult, if not impossible, to extract them. Hence, the basic idea of PUF is to take advantage of inevitable non-idealities in the physical domain to create a system that can provide an innovative way to secure device identities, sensitive information, and their communications. While the physical variation exists everywhere, various materials, systems, and technologies have been considered as the source of unpredictable physical device variation in large scales for generating security primitives. The purpose of this project is to develop emerging solid-state memory-based security primitives and examine their robustness as well as feasibility. Firstly, the author gives an extensive overview of PUFs. The rationality, classification, and application of PUF are discussed. To objectively compare the quality of PUFs, the author formulates important PUF properties and evaluation metrics. By reviewing previously proposed constructions ranging from conventional standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) components to emerging non-volatile memories, the quality of different PUFs classes are discussed and summarized. Through a comparative analysis, emerging non-volatile redox-based resistor memories (ReRAMs) have shown the potential as promising candidates for the next generation of low-cost, low-power, compact in size, and secure PUF. Next, the author presents novel approaches to build a PUF by utilizing concatenated two layers of ReRAM crossbar arrays. Upon concatenate two layers, the nonlinear structure is introduced, and this results in the improved uniformity and the avalanche characteristic of the proposed PUF. A group of cell readout method is employed, and it supports a massive pool of challenge-response pairs of the nonlinear ReRAM-based PUF. The non-linear PUF construction is experimentally assessed using the evaluation metrics, and the quality of randomness is verified using predictive analysis. Last but not least, random telegraph noise (RTN) is studied as a source of entropy for a true random number generation (TRNG). RTN is usually considered a disadvantageous feature in the conventional CMOS designs. However, in combination with appropriate readout scheme, RTN in ReRAM can be used as a novel technique to generate quality random numbers. The proposed differential readout-based design can maintain the quality of output by reducing the effect of the undesired noise from the whole system, while the controlling difficulty of the conventional readout method can be significantly reduced. This is advantageous as the differential readout circuit can embrace the resistance variation features of ReRAMs without extensive pre-calibration. The study in this thesis has the potential to enable the development of cost-efficient and lightweight security primitives that can be integrated into modern computer mobile systems and devices for providing a high level of security

Stochastic Memory Devices for Security and Computing

With the widespread use of mobile computing and internet of things, secured communication and chip authentication have become extremely important. Hardware-based security concepts generally provide the best performance in terms of a good standard of security, low power consumption, and large-area density. In these concepts, the stochastic properties of nanoscale devices, such as the physical and geometrical variations of the process, are harnessed for true random number generators (TRNGs) and physical unclonable functions (PUFs). Emerging memory devices, such as resistive-switching memory (RRAM), phase-change memory (PCM), and spin-transfer torque magnetic memory (STT-MRAM), rely on a unique combination of physical mechanisms for transport and switching, thus appear to be an ideal source of entropy for TRNGs and PUFs. An overview of stochastic phenomena in memory devices and their use for developing security and computing primitives is provided. First, a broad classification of methods to generate true random numbers via the stochastic properties of nanoscale devices is presented. Then, practical implementations of stochastic TRNGs, such as hardware security and stochastic computing, are shown. Finally, future challenges to stochastic memory development are discussed

Konzeption und Umsetzung einer mobilen Applikation zur Validierung von f\"alschungssicheren Produktlabeln

Due to increasing numbers of product piracy worldwide, a cost-effective method for verifying the origin of a product is to be developed. For this purpose, a certificate of authenticity can be created using precisely measurable, unique properties of special physical objects that are difficult to reconstruct. In the context of the present work, this is a counterfeit-proof label composed of randomly distributed gold nanospheres or rods in a semi-transparent material. The characteristic positioning of the label's elements can be precisely measured using a smartphone's camera and additional technologies. This can create an offline usable verification method for the general public without the need for an existing network connection. The present work provides a first part of the proof of concept that such a system and especially the associated algorithmic computation method can be implemented and efficiently used in a mobile application. In addition, a method suitable in practice for transmitting and securing the required information is determined in each case. Furthermore, the results of the validation of counterfeit-proof product labels are analyzed in detail and existing weaknesses are pointed out. -- Auf Grund weltweit steigender Zahlen der Produktpiraterie soll ein kosteng\"unstiges Verfahren zur Verifizierung der Herkunft eines Produktes entwickelt werden. Daf\"ur l\"asst sich durch exakt messbare, einzigartige, jedoch schwer rekonstruierbare Eigenschaften spezieller physischer Objekte ein Echtheitszertifikat kreieren. Dieses ist im Kontext der vorliegenden Arbeit ein f\"alschungssicheres Label, das sich in einem semi-transparenten Material aus zuf\"allig verteilten Goldnanok\"ugelchen oder -st\"abchen zusammensetzt. Die charakteristischen Positionierungen der Elemente des Labels lassen sich mit der Kamera eines Smartphones und zus\"atzlichen Technologien pr\"azise messen. Dadurch kann f\"ur die breite Bev\"olkerung ohne die Notwendigkeit einer bestehenden Netzwerkverbindung ein offline verwendbares Verifikationsverfahren erschaffen werden. Die vorliegende Arbeit liefert einen ersten Teil des Machbarkeitsnachweises, dass ein derartiges System und insbesondere das damit einhergehende algorithmische Berechnungsverfahren in einer mobilen Applikation implementier -- und effizient einsetzbar ist. Zudem wird je eine in der Praxis geeignete Methode zur \"Ubermittlung und Sicherung der ben\"otigten Informationen eruiert. Des Weiteren werden die Resultate der Validierung von f\"alschungssicheren Produktlabeln ausf\"uhrlich analysiert und vorhandene Schw\"achen aufgezeigt.Comment: Thesis for: Informatik Bachelor; Advisor: Dr. Markus Friedrich, Dr. Sebastian Feld, Prof. Dr. Dr. Ulrich R\"uhrmair; in Germa

SpyHammer: Using RowHammer to Remotely Spy on Temperature

RowHammer is a DRAM vulnerability that can cause bit errors in a victim DRAM row by just accessing its neighboring DRAM rows at a high-enough rate. Recent studies demonstrate that new DRAM devices are becoming increasingly more vulnerable to RowHammer, and many works demonstrate system-level attacks for privilege escalation or information leakage. In this work, we leverage two key observations about RowHammer characteristics to spy on DRAM temperature: 1) RowHammer-induced bit error rate consistently increases (or decreases) as the temperature increases, and 2) some DRAM cells that are vulnerable to RowHammer cause bit errors only at a particular temperature. Based on these observations, we propose a new RowHammer attack, called SpyHammer, that spies on the temperature of critical systems such as industrial production lines, vehicles, and medical systems. SpyHammer is the first practical attack that can spy on DRAM temperature. SpyHammer can spy on absolute temperature with an error of less than 2.5 {\deg}C at the 90th percentile of tested temperature points, for 12 real DRAM modules from 4 main manufacturers

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

Segurança de computadores por meio de autenticação intrínseca de hardware

Orientadores: Guido Costa Souza de Araújo, Mario Lúcio Côrtes e Diego de Freitas AranhaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Neste trabalho apresentamos Computer Security by Hardware-Intrinsic Authentication (CSHIA), uma arquitetura de computadores segura para sistemas embarcados que tem como objetivo prover autenticidade e integridade para código e dados. Este trabalho está divido em três fases: Projeto da Arquitetura, sua Implementação, e sua Avaliação de Segurança. Durante a fase de projeto, determinamos como integridade e autenticidade seriam garantidas através do uso de Funções Fisicamente Não Clonáveis (PUFs) e propusemos um algoritmo de extração de chaves criptográficas de memórias cache de processadores. Durante a implementação, flexibilizamos o projeto da arquitetura para fornecer diferentes possibilidades de configurações sem comprometimento da segurança. Então, avaliamos seu desempenho levando em consideração o incremento em área de chip, aumento de consumo de energia e memória adicional para diferentes configurações. Por fim, analisamos a segurança de PUFs e desenvolvemos um novo ataque de canal lateral que circunvê a propriedade de unicidade de PUFs por meio de seus elementos de construçãoAbstract: This work presents Computer Security by Hardware-Intrinsic Authentication (CSHIA), a secure computer architecture for embedded systems that aims at providing authenticity and integrity for code and data. The work encompassed three phases: Design, Implementation, and Security Evaluation. In design, we laid out the basic ideas behind CSHIA, namely, how integrity and authenticity are employed through the use of Physical Unclonable Functions (PUFs), and we proposed an algorithm to extract cryptographic keys from the intrinsic memories of processors. In implementation, we made CSHIA¿s design more flexible, allowing different configurations without compromising security. Then, we evaluated CSHIA¿s performance and overheads, such as area, energy, and memory, for multiple configurations. Finally, we evaluated security of PUFs, which led us to develop a new side-channel-based attack that enabled us to circumvent PUFs¿ uniqueness property through their architectural elementsDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação2015/06829-2; 2016/25532-3147614/2014-7FAPESPCNP