Security and privacy issues of physical objects in the IoT: Challenges and opportunities

In the Internet of Things (IoT), security and privacy issues of physical objects are crucial to the related applications. In order to clarify the complicated security and privacy issues, the life cycle of a physical object is divided into three stages of pre-working, in-working, and post-working. On this basis, a physical object-based security architecture for the IoT is put forward. According to the security architecture, security and privacy requirements and related protecting technologies for physical objects in different working stages are analyzed in detail. Considering the development of IoT technologies, potential security and privacy challenges that IoT objects may face in the pervasive computing environment are summarized. At the same time, possible directions for dealing with these challenges are also pointed out

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

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

Authenticated secret key generation in delay-constrained wireless systems

With the emergence of 5G low-latency applications, such as haptics and V2X, low-complexity and low-latency security mechanisms are needed. Promising lightweight mechanisms include physical unclonable functions (PUF) and secret key generation (SKG) at the physical layer, as considered in this paper. In this framework, we propose (i) a zero round trip time (0-RTT) resumption authentication protocol combining PUF and SKG processes, (ii) a novel authenticated encryption (AE) using SKG, and (iii) pipelining of the AE SKG and the encrypted data transfer in order to reduce latency. Implementing the pipelining at PHY, we investigate a parallel SKG approach for multi-carrier systems, where a subset of the subcarriers are used for SKG and the rest for data transmission. The optimal solution to this PHY resource allocation problem is identified under security, power, and delay constraints, by formulating the subcarrier scheduling as a subset-sum 0−1 knapsack optimization. A heuristic algorithm of linear complexity is proposed and shown to incur negligible loss with respect to the optimal dynamic programming solution. All of the proposed mechanisms have the potential to pave the way for a new breed of latency aware security protocols

Exploring Data Security and Privacy Issues in Internet of Things Based on Five-Layer Architecture

Data Security and privacy is one of the serious issues in internet-based computing like cloud computing, mobile computing and Internet of Things (IoT). This security and privacy become manifolded in IoT because of diversified technologies and the interaction of Cyber Physical Systems (CPS) used in IoT. IoTs are being adapted in academics and in many organizations without fully protecting their assets and also without realizing that the traditional security solutions cannot be applied to IoT environment. This paper explores a comprehensive survey of IoT architectures, communication technologies and the security and privacy issues of them for a new researcher in IoT. This paper also suggests methods to thwart the security and privacy issues in the different layers of IoT architecture

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

Quantum Lock: A Provable Quantum Communication Advantage

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

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