99 research outputs found

    PUF Modeling Attacks on Simulated and Silicon Data

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    We discuss numerical modeling attacks on several proposed strong physical unclonable functions (PUFs). Given a set of challenge-response pairs (CRPs) of a Strong PUF, the goal of our attacks is to construct a computer algorithm which behaves indistinguishably from the original PUF on almost all CRPs. If successful, this algorithm can subsequently impersonate the Strong PUF, and can be cloned and distributed arbitrarily. It breaks the security of any applications that rest on the Strong PUF's unpredictability and physical unclonability. Our method is less relevant for other PUF types such as Weak PUFs. The Strong PUFs that we could attack successfully include standard Arbiter PUFs of essentially arbitrary sizes, and XOR Arbiter PUFs, Lightweight Secure PUFs, and Feed-Forward Arbiter PUFs up to certain sizes and complexities. We also investigate the hardness of certain Ring Oscillator PUF architectures in typical Strong PUF applications. Our attacks are based upon various machine learning techniques, including a specially tailored variant of logistic regression and evolution strategies. Our results are mostly obtained on CRPs from numerical simulations that use established digital models of the respective PUFs. For a subset of the considered PUFs-namely standard Arbiter PUFs and XOR Arbiter PUFs-we also lead proofs of concept on silicon data from both FPGAs and ASICs. Over four million silicon CRPs are used in this process. The performance on silicon CRPs is very close to simulated CRPs, confirming a conjecture from earlier versions of this work. Our findings lead to new design requirements for secure electrical Strong PUFs, and will be useful to PUF designers and attackers alike.National Science Foundation (U.S.) (Grant CNS 0923313)National Science Foundation (U.S.) (Grant CNS 0964641

    An Efficient Authentication Protocol for Smart Grid Communication Based on On-Chip-Error-Correcting Physical Unclonable Function

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    Security has become a main concern for the smart grid to move from research and development to industry. The concept of security has usually referred to resistance to threats by an active or passive attacker. However, since smart meters (SMs) are often placed in unprotected areas, physical security has become one of the important security goals in the smart grid. Physical unclonable functions (PUFs) have been largely utilized for ensuring physical security in recent years, though their reliability has remained a major problem to be practically used in cryptographic applications. Although fuzzy extractors have been considered as a solution to solve the reliability problem of PUFs, they put a considerable computational cost to the resource-constrained SMs. To that end, we first propose an on-chip-error-correcting (OCEC) PUF that efficiently generates stable digits for the authentication process. Afterward, we introduce a lightweight authentication protocol between the SMs and neighborhood gateway (NG) based on the proposed PUF. The provable security analysis shows that not only the proposed protocol can stand secure in the Canetti-Krawczyk (CK) adversary model but also provides additional security features. Also, the performance evaluation demonstrates the significant improvement of the proposed scheme in comparison with the state-of-the-art

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

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    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

    Improving Security and Reliability of Physical Unclonable Functions Using Machine Learning

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    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

    Emerging physical unclonable functions with nanotechnology

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    Physical unclonable functions (PUFs) are increasingly used for authentication and identification applications as well as the cryptographic key generation. An important feature of a PUF is the reliance on minute random variations in the fabricated hardware to derive a trusted random key. Currently, most PUF designs focus on exploiting process variations intrinsic to the CMOS technology. In recent years, progress in emerging nanoelectronic devices has demonstrated an increase in variation as a consequence of scaling down to the nanoregion. To date, emerging PUFs with nanotechnology have not been fully established, but they are expected to emerge. Initial research in this area aims to provide security primitives for emerging integrated circuits with nanotechnology. In this paper, we review emerging nanotechnology-based PUFs

    FlexiChain 2.0: NodeChain Assisting Integrated Decentralized Vault for Effective Data Authentication and Device Integrity in Complex Cyber-Physical Systems

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    Distributed Ledger Technology (DLT) has been introduced using the most common consensus algorithm either for an electronic cash system or a decentralized programmable assets platform which provides general services. Most established reliable networks are unsuitable for all applications such as smart cities applications, and, in particular, Internet of Things (IoT) and Cyber Physical Systems (CPS) applications. The purpose of this paper is to provide a suitable DLT for IoT and CPS that could satisfy their requirements. The proposed work has been designed based on the requirements of Cyber Physical Systems. FlexiChain is proposed as a layer zero network that could be formed from independent blockchains. Also, NodeChain has been introduced to be a distributed (Unique ID) UID aggregation vault to secure all nodes' UIDs. Moreover, NodeChain is proposed to serve mainly FlexiChain for all node security requirements. NodeChain targets the security and integrity of each node. Also, the linked UIDs create a chain of narration that keeps track not merely for assets but also for who authenticated the assets. The security results present a higher resistance against four types of attacks. Furthermore, the strength of the network is presented from the early stages compared to blockchain and central authority. FlexiChain technology has been introduced to be a layer zero network for all CPS decentralized applications taking into accounts their requirements. FlexiChain relies on lightweight processing mechanisms and creates other methods to increase security
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