Design and Implementation of Multiplexed and Obfuscated Physical Unclonable Function

Model building attack on Physical Unclonable Functions (PUFs) by using machine learning (ML) techniques has been a focus in the PUF research area. PUF is a hardware security primitive which can extract unique hardware characteristics (i.e., device-specific) by exploiting the intrinsic manufacturing process variations during integrated circuit (IC) fabrication. The nature of the manufacturing process variations which is random and complex makes a PUF realistically and physically impossible to clone atom-by-atom. Nevertheless, its function is vulnerable to model-building attacks by using ML techniques. Arbiter-PUF is one of the earliest proposed delay-based PUFs which is vulnerable to ML-attack. In the past, several techniques have been proposed to increase its resiliency, but often has to sacrifice the reproducibility of the Arbiter-PUF response. In this paper, we propose a new derivative of Arbiter-PUF which is called Mixed Arbiter-PUF (MA-PUF). Four Arbiter-PUFs are combined and their outputs are multiplexed to generate the final response. We show that MA-PUF has good properties of uniqueness, reliability, and uniformity. Moreover, the resilient of MA-PUF against ML-attack is 15% better than a conventional Arbiter-PUF. The predictability of MA-PUF close to 65% could be achieved when combining with challenge permutation technique

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

Proof-of-PUF enabled blockchain: concurrent data and device security for internet-of-energy

A detailed review on the technological aspects of Blockchain and Physical Unclonable Functions (PUFs) is presented in this article. It stipulates an emerging concept of Blockchain that integrates hardware security primitives via PUFs to solve bandwidth, integration, scalability, latency, and energy requirements for the Internet-of-Energy (IoE) systems. This hybrid approach, hereinafter termed as PUFChain, provides device and data provenance which records data origins, history of data generation and processing, and clone-proof device identification and authentication, thus possible to track the sources and reasons of any cyber attack. In addition to this, we review the key areas of design, development, and implementation, which will give us the insight on seamless integration with legacy IoE systems, reliability, cyber resilience, and future research challenges

Design of a Low Power Physically Un-clonable Function for Generation of Random Sequence for Hardware Security

Physical Un-clonable Function (PUF) is a physical entity that provides secret key or fingerprints in silicon circuits by exploiting the uncontrollable randomness during its manufacturing randomness.  It provides a hardware unique signature or identification. Its property of uniqueness comes from its   unpredictable way of mapping challenges to responses, even if it was manufactured with the same process. Previous work has mainly focused on novel structures for non-FPGA reconfigurable silicon PUFs which does not need any special fabrication method and which can overcome the limitations of FPGA-based simulations. Their performance was quantified by the inter-chip variations, intra-chip variations and re-configurability tests to meet practical application needs. This paper presents a novel approach of designing a low power non-FPGA feed-forward PUF using double gate MOSFET and also to analyze its parameters such as intra-chip variation, reliability and power. Keywords: Physical Un-clonable Function (PUF); Intra-chip Variation; Reliability; Uniqueness; Standard feed forward; Double gate MOSFET, Modified feed forward

Hybrid low-voltage physical unclonable function based on inkjet-printed metal-oxide transistors

Modern society is striving for digital connectivity that demands information security. As an emerging technology, printed electronics is a key enabler for novel device types with free form factors, customizability, and the potential for large-area fabrication while being seamlessly integrated into our everyday environment. At present, information security is mainly based on software algorithms that use pseudo random numbers. In this regard, hardware-intrinsic security primitives, such as physical unclonable functions, are very promising to provide inherent security features comparable to biometrical data. Device-specific, random intrinsic variations are exploited to generate unique secure identifiers. Here, we introduce a hybrid physical unclonable function, combining silicon and printed electronics technologies, based on metal oxide thin film devices. Our system exploits the inherent randomness of printed materials due to surface roughness, film morphology and the resulting electrical characteristics. The security primitive provides high intrinsic variation, is non-volatile, scalable and exhibits nearly ideal uniqueness

Lightweight hardware fingerprinting solution using inherent memory in off-the-shelf commodity devices

An emerging technology known as Physical unclonable function (PUF) can provide a hardware root-of-trust in building the trusted computing system. PUF exploits the intrinsic process variations during the integrated circuit (IC) fabrication to generate a unique response. This unique response differs from one PUF to the other similar type of PUFs. Static random-access memory PUF (SRAM-PUF) is one of the memorybased PUFs in which the response is generated during the memory power-up process. Non-volatile memory (NVM) architecture like SRAM is available in off-the-shelf microcontroller devices. Exploiting the inherent SRAM as PUF could wide-spread the adoption of PUF. Therefore, in this study, we evaluate the suitability of inherent SRAM available in ATMega2560 microcontroller on Arduino platform as PUF that can provide a unique fingerprint. First, we analyze the start-up values (SUVs) of memory cells and select only the cells that show random values after the power-up process. Subsequently, we statistically analyze the characteristic of fifteen SRAM-PUFs which include uniqueness, reliability, and uniformity. Based on our findings, the SUVs of fifteen on-chip SRAMs achieve 42.64% uniqueness, 97.28% reliability, and 69.16% uniformity. Therefore, we concluded that the available SRAM in off-the-shelf commodity hardware has good quality to be used as PUF

Deep Learning based Model Building Attacks on Arbiter PUF Compositions

Robustness to modeling attacks is an important requirement for PUF circuits. Several reported Arbiter PUF com- positions have resisted modeling attacks. and often require huge computational resources for successful modeling. In this paper we present deep feedforward neural network based modeling attack on 64-bit and 128-bit Arbiter PUF (APUF), and several other PUFs composed of Arbiter PUFs, namely, XOR APUF, Lightweight Secure PUF (LSPUF), Multiplexer PUF (MPUF) and its variants (cMPUF and rMPUF), and the recently proposed Interpose PUF (IPUF, up to the (4,4)-IPUF configuration). The technique requires no auxiliary information (e.g. side-channel information or reliability information), while employing deep neural networks of relatively low structural complexity to achieve very high modeling accuracy at low computational overhead (compared to previously proposed approaches), and is reasonably robust to error-inflicted training dataset

Strong Machine Learning Attack against PUFs with No Mathematical Model

Although numerous attacks revealed the vulnerability of different PUF families to non-invasive Machine Learning (ML) attacks, the question is still open whether all PUFs might be learnable. Until now, virtually all ML attacks rely on the assumption that a mathematical model of the PUF functionality is known a priori. However, this is not always the case, and attention should be paid to this important aspect of ML attacks. This paper aims to address this issue by providing a provable framework for ML attacks against a PUF family, whose underlying mathematical model is unknown. We prove that this PUF family is inherently vulnerable to our novel PAC (Probably Approximately Correct) learning framework. We apply our ML algorithm on the Bistable Ring PUF (BR-PUF) family, which is one of the most interesting and prime examples of a PUF with an unknown mathematical model. We practically evaluate our ML algorithm through extensive experiments on BR-PUFs implemented on Field-Programmable Gate Arrays (FPGA). In line with our theoretical findings, our experimental results strongly confirm the effectiveness and applicability of our attack. This is also interesting since our complex proof heavily relies on the spectral properties of Boolean functions, which are known to hold only asymptotically. Along with this proof, we further provide the theorem that all PUFs must have some challenge bit positions, which have larger influences on the responses than other challenge bits