272 research outputs found

    FPGA-Based PUF Designs: A Comprehensive Review and Comparative Analysis

    Get PDF
    Field-programmable gate arrays (FPGAs) have firmly established themselves as dynamic platforms for the implementation of physical unclonable functions (PUFs). Their intrinsic reconfigurability and profound implications for enhancing hardware security make them an invaluable asset in this realm. This groundbreaking study not only dives deep into the universe of FPGA-based PUF designs but also offers a comprehensive overview coupled with a discerning comparative analysis. PUFs are the bedrock of device authentication and key generation and the fortification of secure cryptographic protocols. Unleashing the potential of FPGA technology expands the horizons of PUF integration across diverse hardware systems. We set out to understand the fundamental ideas behind PUF and how crucially important it is to current security paradigms. Different FPGA-based PUF solutions, including static, dynamic, and hybrid systems, are closely examined. Each design paradigm is painstakingly examined to reveal its special qualities, functional nuances, and weaknesses. We closely assess a variety of performance metrics, including those related to distinctiveness, reliability, and resilience against hostile threats. We compare various FPGA-based PUF systems against one another to expose their unique advantages and disadvantages. This study provides system designers and security professionals with the crucial information they need to choose the best PUF design for their particular applications. Our paper provides a comprehensive view of the functionality, security capabilities, and prospective applications of FPGA-based PUF systems. The depth of knowledge gained from this research advances the field of hardware security, enabling security practitioners, researchers, and designers to make wise decisions when deciding on and implementing FPGA-based PUF solutions.publishedVersio

    Quantum Lock: A Provable Quantum Communication Advantage

    Get PDF
    Physical unclonable functions(PUFs) provide a unique fingerprint to a physical entity by exploiting the inherent physical randomness. Gao et al. discussed the vulnerability of most current-day PUFs to sophisticated machine learning-based attacks. We address this problem by integrating classical PUFs and existing quantum communication technology. Specifically, this paper proposes a generic design of provably secure PUFs, called hybrid locked PUFs(HLPUFs), providing a practical solution for securing classical PUFs. An HLPUF uses a classical PUF(CPUF), and encodes the output into non-orthogonal quantum states to hide the outcomes of the underlying CPUF from any adversary. Here we introduce a quantum lock to protect the HLPUFs from any general adversaries. The indistinguishability property of the non-orthogonal quantum states, together with the quantum lockdown technique prevents the adversary from accessing the outcome of the CPUFs. Moreover, we show that by exploiting non-classical properties of quantum states, the HLPUF allows the server to reuse the challenge-response pairs for further client authentication. This result provides an efficient solution for running PUF-based client authentication for an extended period while maintaining a small-sized challenge-response pairs database on the server side. Later, we support our theoretical contributions by instantiating the HLPUFs design using accessible real-world CPUFs. We use the optimal classical machine-learning attacks to forge both the CPUFs and HLPUFs, and we certify the security gap in our numerical simulation for construction which is ready for implementation.Comment: Replacement of paper "Hybrid PUF: A Novel Way to Enhance the Security of Classical PUFs" (arXiv:2110.09469

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

    Get PDF
    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

    Security layers and related services within the Horizon Europe NEUROPULS project

    Full text link
    In the contemporary security landscape, the incorporation of photonics has emerged as a transformative force, unlocking a spectrum of possibilities to enhance the resilience and effectiveness of security primitives. This integration represents more than a mere technological augmentation; it signifies a paradigm shift towards innovative approaches capable of delivering security primitives with key properties for low-power systems. This not only augments the robustness of security frameworks, but also paves the way for novel strategies that adapt to the evolving challenges of the digital age. This paper discusses the security layers and related services that will be developed, modeled, and evaluated within the Horizon Europe NEUROPULS project. These layers will exploit novel implementations for security primitives based on physical unclonable functions (PUFs) using integrated photonics technology. Their objective is to provide a series of services to support the secure operation of a neuromorphic photonic accelerator for edge computing applications.Comment: 6 pages, 4 figure

    Improving Security and Reliability of Physical Unclonable Functions Using Machine Learning

    Get PDF
    Physical Unclonable Functions (PUFs) are promising security primitives for device authenti-cation and key generation. Due to the noise influence, reliability is an important performance metric of PUF-based authentication. In the literature, lots of efforts have been devoted to enhancing PUF reliability by using error correction methods such as error-correcting codes and fuzzy extractor. Ho-wever, one property that most of these prior works overlooked is the non-uniform distribution of PUF response across different bits. This wok proposes a two-step methodology to improve the reliability of PUF under noisy conditions. The first step involves acquiring the parameters of PUF models by using machine lear-ning algorithms. The second step then utilizes these obtained parameters to improve the reliability of PUFs by selectively choosing challenge-response pairs (CRPs) for authentication. Two distinct algorithms for improving the reliability of multiplexer (MUX) PUF, i.e., total delay difference thresholding and sensitive bits grouping, are presented. It is important to note that the methodology can be easily applied to other types of PUFs as well. Our experimental results show that the relia-bility of PUF-based authentication can be significantly improved by the proposed approaches. For example, in one experimental setting, the reliability of an MUX PUF is improved from 89.75% to 94.07% using total delay difference thresholding, while 89.30% of generated challenges are stored. As opposed to total delay difference thresholding, sensitive bits grouping possesses higher efficiency, as it can produce reliable CRPs directly. Our experimental results show that the reliability can be improved to 96.91% under the same setting, when we group 12 bits in the challenge vector of a 128-stage MUX PUF. Besides, because the actual noise varies greatly in different conditions, it is hard to predict the error of of each individual PUF response bit. This wok proposes a novel methodology to improve the efficiency of PUF response error correction based on error-rates. The proposed method first obtains the PUF model by using machine learning techniques, which is then used to predict the error-rates. Intuitively, we are inclined to tolerate errors in PUF response bits with relatively higher error-rates. Thus, we propose to treat different PUF response bits with different degrees of error tolerance, according to their estimated error-rates. Specifically, by assigning optimized weights, i.e., 0, 1, 2, 3, and infinity to PUF response bits, while a small portion of high error rates responses are truncated; the other responses are duplicated to a limited number of bits according to error-rates before error correction and a portion of low error-rates responses bypass the error correction as direct keys. The hardware cost for error correction can also be reduced by employing these methods. Response weighting is capable of reducing the false negative and false positive simultaneously. The entropy can also be controlled. Our experimental results show that the response weighting algorithm can reduce not only the false negative from 20.60% to 1.71%, but also the false positive rate from 1.26 × 10−21 to 5.38 × 10−22 for a PUF-based authentication with 127-bit response and 13-bit error correction. Besides, three case studies about the applications of the proposed algorithm are also discussed. Along with the rapid development of hardware security techniques, the revolutionary gro-wth of countermeasures or attacking methods developed by intelligent and adaptive adversaries have significantly complicated the ability to create secure hardware systems. Thus, there is a critical need to (re)evaluate existing or new hardware security techniques against these state-of-the-art attacking methods. With this in mind, this wok presents a novel framework for incorporating active learning techniques into hardware security field. We demonstrate that active learning can significantly im-prove the learning efficiency of PUF modeling attack, which samples the least confident and the most informative challenge-response pair (CRP) for training in each iteration. For example, our ex-perimental results show that in order to obtain a prediction error below 4%, 2790 CRPs are required in passive learning, while only 811 CRPs are required in active learning. The sampling strategies and detailed applications of PUF modeling attack under various environmental conditions are also discussed. When the environment is very noisy, active learning may sample a large number of mis-labeled CRPs and hence result in high prediction error. We present two methods to mitigate the contradiction between informative and noisy CRPs. At last, it is critical to design secure PUF, which can mitigate the countermeasures or modeling attacking from intelligent and adaptive adversaries. Previously, researchers devoted to hiding PUF information by pre- or post processing of PUF challenge/response. However, these methods are still subject to side-channel analysis based hybrid attacks. Methods for increasing the non-linearity of PUF structure, such as feedforward PUF, cascade PUF and subthreshold current PUF, have also been proposed. However, these methods significantly degrade the reliability. Based on the previous work, this work proposes a novel concept, noisy PUF, which achieves modeling attack resistance while maintaining a high degree of reliability for selected CRPs. A possible design of noisy PUF along with the corresponding experimental results is also presented

    Hybrid PUF Design using Bistable Ring PUF and Chaotic Network

    Get PDF
    Physical Unclonable Function(PUF) is lightweight hardware that provides affordable security for electronic devices and systems which can eliminate the use of the conventional cryptographic system which uses large area and storage. Among the several models, Bi-stable Ring PUF(BR-PUF) is considered as a secure and efficient PUF model since it has no mathematical model still found. In this thesis, we proposed a modified design called a hybrid model of BR-PUF and a Chaotic network to improve the BR-PUF resilience against machine learning attacks. We experimented with the current modification XOR technique to analyze the uniqueness, reliability and resource consumption. The proposed PUF was implemented on Xilinx Artix 7 FPGA and the PUF metrics were captured and compared with the results of XOR-ed based PUF integration techniques. The lightweight PUF model was achieved with 16% resource reduction when compared to XOR-ed BR PUF with no compromise in PUF quality
    corecore