MAG-PUFs:Authenticating IoT devices via electromagnetic physical unclonable functions and deep learning

The challenge of authenticating Internet of Things (IoT) devices, particularly in low-cost deployments with constrained nodes that struggle with dynamic re-keying solutions, renders these devices susceptible to various attacks. This paper introduces a robust alternative mitigation strategy based on Physical-Layer Authentication (PLA), which leverages the intrinsic physical layer characteristics of IoT devices. These unique imperfections, stemming from the manufacturing process of IoT electronic integrated circuits (ICs), are difficult to replicate or falsify and vary with each function executed by the IoT device. We propose a novel lightweight authentication scheme, MAG-PUFs, that uses the unintentional Electromagnetic (EM) emissions from IoT devices as Physical Unclonable Functions (PUFs). MAG-PUFs operate by collecting these unintentional EM emissions during the execution of pre-defined reference functions by the IoT devices. The authentication is achieved by matching these emissions with profiles recorded at the time of enrollment, using state-of-the-art Deep Learning (DL) approaches such as Neural Networks (NN) and Autoencoders. Notably, MAG-PUFs offer compelling advantages: (i) it preserves privacy, as it does not require direct access to the IoT devices; and, (ii) it provides unique flexibility, permitting the selection of numerous and varied reference functions. We rigorously evaluated MAG-PUFs using 25 Arduino devices and a diverse set of 325 reference function classes. Employing a DL framework, we achieved a minimum authentication F1-Score of 0.99. Furthermore, the scheme's efficacy in detecting impostor EM emissions was also affirmed, achieving a minimum F1-Score of 0.99. We also compared our solution to other solutions in the literature, showing its remarkable performance. Finally, we discussed code obfuscation techniques and the impact of Radio Frequency (RF) interference on the IoT authentication process.</p

A secure arbiter physical unclonable functions (PUFs) for device authentication and identification

Recent fourth industrial revolution, industry4.0 results in lot of automation of industrial processes and brings intelligence in many home appliances in the form of IoT, enhances M2M / D2D communication where electronic devices play a prominent role. It is very much necessary to ensure security of those devices. To provide reliable authentication and identification of each device and to abort the counterfeiting from the unauthorized foundries Physical Unclonable Functions (PUFs) emerged as a one of the promising cryptographic hardware security solution. PUF is function, mathematically modeled by using uncontrollable/ unavoidable random variances of the fabrication process of the ICs. These variances can generate unpredictable, random responses can be used to overcome the difficulties such as storing the keys in non-volatile memories (NVMs) in the classical cryptography. A wide variety of PUF architectures such as Arbiter PUFs, Ring oscillator PUFs, SRAM PUFs proposed by authors. But due to its design complexity and low cost, Delay based Arbiter PUFs (D-PUFs) are considering to be a one of the security primitives in authentication applications such as low-cost IoT devices for secure key generation. This paper presents a review on the different types of Delay based PUF architectures proposed by the various authors, sources to exhibit the physical disorders in ICs, methods to estimate the Performance metrics and applications of PUF in different domains

MAG-PUFs:Authenticating IoT devices via electromagnetic physical unclonable functions and deep learning

The challenge of authenticating Internet of Things (IoT) devices, particularly in low-cost deployments with constrained nodes that struggle with dynamic re-keying solutions, renders these devices susceptible to various attacks. This paper introduces a robust alternative mitigation strategy based on Physical-Layer Authentication (PLA), which leverages the intrinsic physical layer characteristics of IoT devices. These unique imperfections, stemming from the manufacturing process of IoT electronic integrated circuits (ICs), are difficult to replicate or falsify and vary with each function executed by the IoT device. We propose a novel lightweight authentication scheme, MAG-PUFs, that uses the unintentional Electromagnetic (EM) emissions from IoT devices as Physical Unclonable Functions (PUFs). MAG-PUFs operate by collecting these unintentional EM emissions during the execution of pre-defined reference functions by the IoT devices. The authentication is achieved by matching these emissions with profiles recorded at the time of enrollment, using state-of-the-art Deep Learning (DL) approaches such as Neural Networks (NN) and Autoencoders. Notably, MAG-PUFs offer compelling advantages: (i) it preserves privacy, as it does not require direct access to the IoT devices; and, (ii) it provides unique flexibility, permitting the selection of numerous and varied reference functions. We rigorously evaluated MAG-PUFs using 25 Arduino devices and a diverse set of 325 reference function classes. Employing a DL framework, we achieved a minimum authentication F1-Score of 0.99. Furthermore, the scheme's efficacy in detecting impostor EM emissions was also affirmed, achieving a minimum F1-Score of 0.99. We also compared our solution to other solutions in the literature, showing its remarkable performance. Finally, we discussed code obfuscation techniques and the impact of Radio Frequency (RF) interference on the IoT authentication process.</p

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

Design Impedance Mismatch Physical Unclonable Functions for IoT Security

We propose a new design, Physical Unclonable Function (PUF) scheme, for the Internet of Things (IoT), which has been suffering from multiple-level security threats. As more and more objects interconnect on IoT networks, the identity of each thing is very important. To authenticate each object, we design an impedance mismatch PUF, which exploits random physical factors of the transmission line to generate a security unique private key. The characteristic impedance of the transmission line and signal transmission theory of the printed circuit board (PCB) are also analyzed in detail. To improve the reliability, current feedback amplifier (CFA) method is applied on the PUF. Finally, the proposed scheme is implemented and tested. The measure results show that impedance mismatch PUF provides better unpredictability and randomness

Physical Unclonable Function Reliability on Reconfigurable Hardware and Reliability Degradation with Temperature and Supply Voltage Variations

A hardware security solution using a Physical Unclonable Function (PUF) is a promising approach to ensure security for physical systems. PUF utilizes the inherent instance-specific parameters of physical objects and it is evaluated based on the performance parameters such as uniqueness, reliability, randomness, and tamper evidence of the Challenge and Response Pairs (CRPs). These performance parameters are affected by operating conditions such as temperature and supply voltage variations. In addition, PUF implementation on Field Programmable Gate Array (FPGA) platform is proven to be more complicated than PUF implementation on Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) technologies. The automatic placement and routing of logic cells in FPGA can affect the performance of PUFs due to path delay imbalance. In this work, the impact of power supply and temperature variations, on the reliability of an arbiter PUF is studied. Simulation results are conducted to determine the effects of these varying conditions on the CRPs. Simulation results show that ± 10% of power supply variation can affect the reliability of an arbiter PUF by about 51%, similarly temperature fluctuation between -40 0C and +60 0C reduces the PUF reliability by 58%. In addition, a new methodology to implement a reliable arbiter PUF on an FPGA platform is presented. Instead of using an extra delay measurement module, the Chip Planner tool for FPGA is used for manually placement to minimize the path delay misalignment to less than 8 ps

Efficient and Secure Group Key Management in IoT using Multistage Interconnected PUF

Secure group-oriented communication is crucial to a wide range of applications in Internet of Things (IoT). Security problems related to group-oriented communications in IoT-based applications placed in a privacy-sensitive environment have become a major concern along with the development of the technology. Unfortunately, many IoT devices are designed to be portable and light-weight; thus, their functionalities, including security modules, are heavily constrained by the limited energy resources (e.g., battery capacity). To address these problems, we propose a group key management scheme based on a novel physically unclonable function (PUF) design: multistage interconnected PUF (MIPUF) to secure group communications in an energy-constrained environment. Our design is capable of performing key management tasks such as key distribution, key storage and rekeying securely and efficiently. We show that our design is secure against multiple attack methods and our experimental results show that our design saves 47.33% of energy globally comparing to state-of-the-art Elliptic-curve cryptography (ECC)-based key management scheme on average.Comment: 6 pages, 4 figures, International Symposium on Low Power Electronics and Desig

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

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