Information-theoretic analysis of coating PUFs

Physical Uncloneable Functions (PUFs) can be used as a cost-effective means to store cryptographic key material in an uncloneable way. In coating PUFs, keys are generated from capacitance measurements of a coating containing many randomly distributed particles with different dielectric constants. We introduce a physical model of coating PUFs by simplifying the capacitance sensors to a parallel plate geometry. We estimate the amount of information that can be extracted from the coating. We show that the inherent entropy is proportional to $sqrt{n}(log n)^{3/2}$, where n is the number of particles that fit between the capacitor plates in a straight line. However, measurement noise may severely reduce the amount of information that can actually be extracted in practice. In the noisy regime the number of extractable bits is in fact a decreasing function of n. We derive an optimal value for n as a function of the noise amplitude, the PUF geometry and the dielectric constants

Physically Uncloneable Functions in the Stand-Alone and Universally Composable Framework

In this thesis, we investigate the possibility of basing cryptographic primitives on Physically Uncloneable Functions (PUF). A PUF is a piece of hardware that can be seen as a source of randomness. When a PUF is evaluated on a physical stimulus, it answers with a noisy output. PUFs are unpredictable such that even if a chosen stimulus is given, it should be infeasible to predict the corresponding output without physically evaluating the PUF. Furthermore, PUFs are uncloneable, which means that even if all components of the system are known, it is computational infeasible to model their behavior. In the course of this dissertation, we discuss PUFs in the context of their implementation, their mathematical description, as well as their usage as a cryptographic primitive and in cryptographic protocols. We first give an overview of the most prominent PUF constructions in order to derive subsequently an appropriate mathematical PUF model. It turns out that this is a non- trivial task, because it is not certain which common security properties are generally necessary and achievable due to the numerous PUF implementations. Next, we consider PUFs in security applications. Due to the properties of PUFs, these hardware tokens are good to build authentication protocols that rely on challenge/response pairs. If the number of potential PUF-based challenge/response pairs is large enough, an adversary cannot measure all PUF responses. Therefore, the at- tacker will most likely not be able to answer the challenge of the issuing party even if he had physical access to the PUF for a short time. However, we show that some of the previously suggested protocols are not fully secure in the attacker model where the adversary has physical control of the PUF and the corresponding reader during a short time. Finally, we analyze PUFs in the universally composable (UC) framework for the first time. Although hardware tokens have been considered before in the UC framework, designing PUF-based protocols is fundamentally different from other hardware token approaches. One reason is that the manufacturer of the PUF creates a physical object that outputs pseudorandom values, but where no specific code is running. In fact, the functional behavior of the PUF is unpredictable even for the PUF creator. Thus, only the party in possession of the PUF has full access to the secrets. After formalizing PUFs in the UC framework, we derive efficient UC-secure protocols for basic tasks like oblivious transfer, commitments, and key exchange

Sensor authentication in collaborating sensor networks

In this thesis, we address a new security problem in the realm of collaborating sensor networks. By collaborating sensor networks, we refer to the networks of sensor networks collaborating on a mission, with each sensor network is independently owned and operated by separate entities. Such networks are practical where a number of independent entities can deploy their own sensor networks in multi-national, commercial, and environmental scenarios, and some of these networks will integrate complementary functionalities for a mission. In the scenario, we address an authentication problem wherein the goal is for the Operator Oi of Sensor Network Si to correctly determine the number of active sensors in Network Si. Such a problem is challenging in collaborating sensor networks where other sensor networks, despite showing an intent to collaborate, may not be completely trustworthy and could compromise the authentication process. We propose two authentication protocols to address this problem. Our protocols rely on Physically Unclonable Functions, which are a hardware based authentication primitive exploiting inherent randomness in circuit fabrication. Our protocols are light-weight, energy efficient, and highly secure against a number of attacks. To the best of our knowledge, ours is the first to addresses a practical security problem in collaborating sensor networks. --Abstract, page iii

MEMS sensors as physical unclonable functions

A fundamental requirement of any crypto system is that secret-key material remains securely stored so that it is robust in withstanding attacks including physical tampering. In this context, physical unclonable functions (PUFs) have been proposed to store cryptographic secrets in a particularly secure manner. In this thesis, the feasibility of using microelectromechanical systems (MEMS) sensors for secure key storage purposes is evaluated for the first time. To this end, we investigated an off-the-shelf 3-axis MEMS gyroscope design and used its properties to derive a unique fingerprint from each sensor. We thoroughly examined the robustness of the derived fingerprints against temperature variation and aging. We extracted stable keys with nearly full entropy from the fingerprints. The security level of the extracted keys lies in a range between 27 bits and 150 bits depending on the applied test conditions and the used entropy estimation method. Moreover, we provide experimental evidence that the extractable key length is higher in practice when multiple wafers are considered. In addition, it is shown that further improvements could be achieved by using more precise measurement techniques and by optimizing the MEMS design. The robustness of a MEMS PUF against tampering and malicious read-outs was tested by three different types of physical attacks. We could show that MEMS PUFs provide a high level of protection due to the sensitivity of their characteristics to disassembly.Eine grundlegende Anforderung jedes Kryptosystems ist, dass der verwendete geheime Schlüssel sicher und geschützt aufbewahrt wird. Vor diesem Hintergrund wurden physikalisch unklonbare Funktionen (PUFs) vorgeschlagen, um kryptographische Geheimnisse besonders sicher zu speichern. In dieser Arbeit wird erstmals die Verwendbarkeit von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) für die sichere Schlüsselspeicherung anhand eines 3-achsigen MEMS Drehratensensor gezeigt. Dabei werden die Eigenschaften der Sensoren zur Ableitung eines eindeutigen Fingerabdrucks verwendet. Die Temperatur- und Langzeitstabilität der abgeleiteten Fingerabdrücke wurde ausführlich untersucht. Aus den Fingerabdrücken wurden stabile Schlüssel mit einem Sicherheitsniveau zwischen 27 Bit und 150 Bit, abhängig von den Testbedingungen und der verwendeten Entropie-Schätzmethode, extrahiert. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Schlüssellänge ansteigt, je mehr Wafer betrachtet werden. Darüber hinaus wurde die Verwendung einer präziseren Messtechnik und eine Optimierung des MEMS-Designs als potentielle Verbesserungsmaßnahmen identifiziert. Die Robustheit einer MEMS PUF gegen Manipulationen und feindseliges Auslesen durch verschiedene Arten von physikalischen Angriffen wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass MEMS PUFs aufgrund der Empfindlichkeit ihrer Eigenschaften hinsichtlich einer Öffnung des Mold-Gehäuses eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber invasiven Angriffen aufweisen

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

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

A Group-Based Ring Oscillator Physical Unclonable Function

Silicon Physical Unclonable Function (PUF) is a physical structure of the chip which has functional characteristics that are hard to predict before fabrication but are expected to be unique after fabrication. This is caused by the random fabrication variations. The secret characteristics can only be extracted through physical measurement and will vanish immediately when the chip is powered down. PUF promises a securer means for cryptographic key generation and storage among many other security applications. However, there are still many practical challenges to cost effectively build secure and reliable PUF secrecy. This dissertation proposes new architectures for ring oscillator (RO) PUFs to answer these challenges. First, our temperature-aware cooperative (TAC) RO PUF can utilize certain ROs that were otherwise discarded due to their instability. Second, our novel group-based algorithm can generate secrecy higher than the theoretical upper bound of the conventional pairwise comparisons approach. Third, we build the first regression-based entropy distiller that can turn the PUF secrecy statistically random and robust, meeting the NIST standards. Fourth, we develop a unique Kendall syndrome coding (KSC) that makes the PUF secrecy error resilient against potential environmental fluctuations. Each of these methods can improve the hardware efficiency of the RO PUF implementation by 1.5X to 8X while improving the security and reliability of the PUF secrecy

Trapdoor Computational Fuzzy Extractors and Stateless Cryptographically-Secure Physical Unclonable Functions

We present a fuzzy extractor whose security can be reduced to the hardness of Learning Parity with Noise (LPN) and can efficiently correct a constant fraction of errors in a biometric source with a ``noise-avoiding trapdoor. Using this computational fuzzy extractor, we present a stateless construction of a cryptographically-secure Physical Unclonable Function. Our construct requires no non-volatile (permanent) storage, secure or otherwise, and its computational security can be reduced to the hardness of an LPN variant under the random oracle model. The construction is ``stateless,\u27\u27 because there is \emph{no} information stored between subsequent queries, which mitigates attacks against the PUF via tampering. Moreover, our stateless construction corresponds to a PUF whose outputs are free of noise because of internal error-correcting capability, which enables a host of applications beyond authentication. We describe the construction, provide a proof of computational security, analysis of the security parameter for system parameter choices, and present experimental evidence that the construction is practical and reliable under a wide environmental range