Физическая неклонируемая функция - Physical unclonable function

А физическая неклонируемая функция (иногда также называют физически неклонируемая функция, который относится к более слабой метрике безопасности, чем физическая неклонируемая функция), или PUF, представляет собой физический объект, который для заданных входных данных и условий (задачи) обеспечивает физически определенный выход (ответ) «цифрового отпечатка пальца», который служит уникальный идентификатор, чаще всего для полупроводникового прибора, такого как микропроцессор. PUF чаще всего основаны на уникальных физических изменениях, которые возникают естественным образом при производстве полупроводников. PUF - это физическая сущность, воплощенная в физической структуре. Сегодня PUF обычно реализуются в интегральные схемы и обычно используются в приложениях с высокими требованиями к безопасности, в частности криптография.

История

Ранние упоминания о системах, которые используют физические свойства неупорядоченных систем для целей аутентификации, относятся к Баудеру в 1983 году.[1] и Симмонс в 1984 году.[2][3] Наккаш и Фреманто предложили в 1992 году схему аутентификации для карт памяти.[4] Термины POWF (физическая односторонняя функция) и PUF (физическая неклонируемая функция) были введены в обращение в 2001 году.[5] и 2002 г.,[6] последняя публикация, описывающая первую интегрированный PUF, где, в отличие от PUF на основе оптики, измерительная схема и PUF интегрированы в одну и ту же электрическую схему (и изготовлены на кремнии).

С 2010 по 2013 год ППУ привлекал внимание в интеллектуальная карточка рынок как многообещающий способ предоставления «кремниевых отпечатков пальцев», создания криптографических ключей, уникальных для отдельных смарт-карт.[7][8]

PUF теперь созданы как безопасная альтернатива автономному хранению секретных ключей в коммерческих ПЛИС, такой как Xilinx Zynq Ultrascale +[9]и Altera Stratix 10.[10]

Концепция

ППУ зависят от уникальности их физической микроструктуры. Эта микроструктура зависит от случайных физических факторов, введенных во время производства. Эти факторы непредсказуемы и неконтролируемы, что делает практически невозможным дублирование или клонирование структуры.

Вместо того, чтобы воплощать один криптографический ключ, PUF реализуют проверка подлинности запрос – ответ оценить эту микроструктуру. Когда к структуре применяется физический стимул, она реагирует непредсказуемым (но повторяемым) образом из-за сложного взаимодействия стимула с физической микроструктурой устройства. Эта точная микроструктура зависит от физических факторов, вводимых во время производства, которые непредсказуемы (например, честная монета ). Приложенный стимул называется вызовом, а реакция PUF - ответом. Конкретный вызов и соответствующий ему ответ вместе образуют пару «вызов – ответ» или CRP. Идентичность устройства устанавливается по свойствам самой микроструктуры. Поскольку эта структура напрямую не обнаруживается механизмом запрос-ответ, такое устройство устойчиво к спуфинговые атаки.

Используя нечеткий экстрактор или схема нечетких обязательств, которые доказуемо неоптимальны с точки зрения объема утечки хранилища и конфиденциальности или использования вложенных полярные коды [11] который можно сделать асимптотически оптимальным, можно извлечь уникальный надежный криптографический ключ из физической микроструктуры.[12] Один и тот же уникальный ключ восстанавливается каждый раз, когда оценивается PUF.[13][14]Затем реализуется механизм запрос-ответ с использованием криптография.[нужна цитата ]

PUF могут быть реализованы с очень небольшими затратами на оборудование. В отличие от ПЗУ, содержащего таблицу ответов на все возможные вызовы, для которых потребовалось бы экспоненциальное количество аппаратных битов, PUF может быть построен аппаратно, пропорционально количеству битов запроса и ответа. В некоторых случаях PUF можно даже построить из существующего оборудования с нужными свойствами.

Неклонируемость означает, что каждое устройство PUF имеет уникальный и непредсказуемый способ сопоставления проблем с ответами, даже если оно было изготовлено с использованием того же процесса, что и аналогичное устройство, и невозможно создать PUF с таким же поведением запрос-ответ, что и другое заданное устройство. PUF, потому что точный контроль над производственным процессом невозможен. Математическая неклонируемость означает, что будет очень сложно вычислить неизвестный ответ с учетом других CRP или некоторых свойств случайных компонентов из PUF. Это потому, что ответ создается сложным взаимодействием проблемы со многими или всеми случайными компонентами. Другими словами, учитывая конструкцию системы PUF, не зная все физических свойств случайных компонентов, CRP очень непредсказуемы. Сочетание физической и математической неклонируемости делает PUF действительно неклонируемым.[13][15]

Обратите внимание, что PUF является «неклонируемым» с использованием той же физической реализации, но после извлечения ключа PUF обычно не возникает проблем с клонированием ключа - вывода PUF - другими способами.

Благодаря этим свойствам PUF могут использоваться в качестве уникального и неповрежденного идентификатора устройства. PUF могут также использоваться для генерации и хранения безопасных ключей, а также в качестве источника случайность.

Типы

Основная статья: Типы физических неклонируемых функций

Было предложено более 40 типов ППУ.[16] Они варьируются от PUF, которые оценивают внутренний элемент ранее существовавшего интегрированный электронный система[17] к концепциям, которые включают явное введение случайных распределений частиц на поверхность физических объектов для аутентификации.[18] Все PUF подвержены изменениям окружающей среды, таким как температура, напряжение питания и электромагнитная интерференция, что может повлиять на их производительность. Следовательно, действительная сила PUF не просто случайна, а заключается в ее способности различаться между устройствами, но одновременно быть одинаковыми в разных условиях окружающей среды на одном и том же устройстве.

Исправление ошибки

Во многих приложениях важно, чтобы результат был стабильным. Если PUF используется для ключа в криптографических алгоритмах, необходимо выполнить исправление ошибок, чтобы исправить любые ошибки, вызванные базовыми физическими процессами, и каждый раз восстанавливать один и тот же ключ во всех рабочих условиях. В принципе, существует две основные концепции: предварительная обработка и исправление ошибок после обработки.[19][20]

Были разработаны стратегии, которые приводят к тому, что SRAM PUF со временем становится более надежным без ухудшения других показателей качества PUF, таких как безопасность и эффективность.[21]

Исследования различных реализаций PUF в Университете Карнеги-Меллона показали, что некоторые методы уменьшения ошибок уменьшают ошибки в ответе PUF в диапазоне от ~ 70 до ~ 100%.[22]

Исследования Массачусетского университета в Амхерсте по повышению надежности ключей, сгенерированных SRAM PUF, предложили метод исправления ошибок для снижения количества ошибок.[23]

Совместные методы кодирования надежности-секретности, основанные на кодировании с преобразованием, используются для получения значительно более высокой надежности для каждого бита, сгенерированного из PUF, так что коды с исправлением ошибок низкой сложности, такие как Коды BCH достаточно, чтобы удовлетворить ограничение вероятности ошибки блока в 1 ошибку из 1 миллиарда битов.[24]

Вложенный полярные коды используются для векторного квантования и исправления ошибок одновременно. Их производительность является асимптотически оптимальной с точки зрения для данной длины блока максимального количества сгенерированных секретных битов, минимального количества утечки частной информации о выходных данных PUF и минимального необходимого объема памяти. Схема нечеткой фиксации и нечеткие экстракторы показаны неоптимальными с точки зрения минимального объема памяти. [11]

Доступность

  • Технология PUF может быть лицензирована у нескольких компаний, включая eMemory,[25]или его дочерняя компания PUFsecurity[26], Enthentica[27], ICTK, внутренний идентификатор,[28] Invia, QuantumTrace и Verayo.
  • Технология PUF реализована на нескольких аппаратных платформах, включая Microsemi SmartFusion2,[29] NXP SmartMX2,[30] Согласованный Logix HyperX, InsideSecure MicroXsafe, Альтера Stratix 10,[31] Сигналы Redpine WyzBee и Xilinx Zynq Ultrascale +.[32]

Уязвимости

В 2011 году университетское исследование показало, что реализации PUF на основе задержки уязвимы для атаки по побочным каналам[33][34] и рекомендует использовать контрмеры при проектировании для предотвращения атак этого типа. Кроме того, неправильная реализация PUF может привести к "бэкдоры "в другую безопасную систему.[35][36] В июне 2012 года Доминик Мерли, ученый из Исследовательского института прикладной и интегрированной безопасности им. Фраунгофера (AISEC), далее заявил, что PUF вводит больше точек входа для взлома криптографической системы и что требуется дальнейшее исследование уязвимостей PUF, прежде чем PUF могут быть используется в практических приложениях, связанных с безопасностью.[37]Все представленные атаки относятся к PUF, реализованным в небезопасных системах, таких как FPGA или статическое ОЗУ (SRAM). Также важно убедиться, что среда подходит для необходимого уровня безопасности.[19]

В 2015 году некоторые исследования утверждали, что можно атаковать определенные виды PUF с помощью недорогого оборудования за считанные миллисекунды. Команда из Рурского университета в Бохуме, Германия, продемонстрировала метод создания модели PUF-алгоритмов XOR Arbiter и, таким образом, смогла предсказать их реакцию на любой вызов. Их метод требует всего 4 CRP, которые даже на устройствах с ограниченными ресурсами не должны занимать более 200 мсек. Используя этот метод и устройство за 25 долларов или смартфон с поддержкой NFC, команда смогла успешно клонировать RFID-карты на основе PUF, хранящиеся в кошельке пользователей, пока они находились в их заднем кармане.[38]

Доказуемые атаки машинного обучения

Упомянутые выше атаки варьируются от инвазивных, например,[39] к неинвазивным атакам.[38] Один из самых известных типов неинвазивных атак - это машинное обучение (ML) атаки.[38] С самого начала эры PUF было сомнительно, что эти примитивы подвержены такому типу атак.[40] Из-за отсутствия тщательного анализа и математических доказательств безопасности PUF в литературе были представлены специальные атаки на PUF. Следовательно, меры противодействия этим атакам менее эффективны. В соответствии с этими усилиями, было высказано предположение, можно ли рассматривать PUF как цепи, которые, как доказано, трудно сломать.[41] В ответ была предложена математическая структура, в которой были представлены доказуемые алгоритмы машинного обучения для нескольких известных семейств PUF.[42]

Наряду с этой доказуемой структурой машинного обучения для оценки защиты PUF от атак машинного обучения в сообществе специалистов по безопасности оборудования были повторно представлены алгоритмы тестирования свойств, которые стали общедоступными.[43][44] Эти алгоритмы уходят корнями в хорошо известные области исследований, а именно проверка собственности, теория машинного обучения, и Логический анализ.

ML-атаки могут применяться к PUF также потому, что большинство методов предварительной и постобработки, применявшихся до сих пор, игнорируют эффект корреляции между выходами PUF-схем. Например, получение одного бита путем сравнения выходов двух кольцевых генераторов - это метод уменьшения корреляции. Однако этот метод не устраняет все корреляции. Следовательно, классические преобразования из литературы по обработке сигналов применяются к необработанным выходным данным схемы PUF для их декорреляции перед квантованием выходных сигналов в области преобразования для генерации битовых последовательностей. Такие методы декорреляции могут помочь преодолеть основанные на корреляции утечки информации о выходах PUF, даже если температура окружающей среды и напряжение питания изменяются. [45]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Д.В. Баудер, «Концепция борьбы с подделкой денежных знаков для валютных систем», Отчет об исследовании PTK-11990. Sandia National Labs. Альбукерке, штат Нью-Мексико, 1983.
  2. ^ Г. Симмонс, "Система проверки личности пользователя и авторизации в точке продажи или доступа", Cryptologia, vol. 8, вып. 1. С. 1–21, 1984.
  3. ^ Г. Симмонс, «Идентификация данных, устройств, документов и людей», в Международной конференции IEEE Carnahan по технологиям безопасности, 1991, стр. 197–218.
  4. ^ Дэвид Наккаш и Патрис Фреманто, Неподдельное идентификационное устройство, считыватель идентификационного устройства и метод идентификации, август 1992 г.[1]
  5. ^ Pappu, R .; Recht, B .; Taylor, J .; Гершенфельд, Н. (2002). «Физические односторонние функции». Наука. 297 (5589): 2026–2030. Bibcode:2002Научный ... 297.2026P. Дои:10.1126 / science.1074376. HDL:1721.1/45499. PMID  12242435.
  6. ^ Блез Гассенд, Дуэйн Кларк, Мартен ван Дейк и Шринивас Девадас. Кремниевые физические случайные функции. Труды конференции по компьютерной и коммуникационной безопасности, ноябрь 2002 г.
  7. ^ Кларк, Питер (22 февраля 2013 г.). "London Calling: технология безопасности требует времени". EE Times. UBM Tech Electronics. Получено 1 июля 2013.
  8. ^ «NXP и Intrinsic-ID для повышения безопасности смарт-чипов». EE Times. UBM Tech Electronics. 21 января 2010 г.. Получено 1 июля 2013.
  9. ^ Xilinx обращается к строгим требованиям безопасности на пятой ежегодной рабочей группе по широкому спектру приложений
  10. ^ {url = https://www.intrinsic-id.com/altera-reveals-stratix-10-with-intrinsic-ids-puf-technology/}
  11. ^ а б Gunlu, O .; Iscan, O .; Сидоренко, В .; и Крамер Г. «Конструкции кода для физических неклонируемых функций и биометрических секретных систем», IEEE Transactions по информационной криминалистике и безопасности, 15 апреля 2019 г.
  12. ^ Туйлс, Пим; Щорич, Борис; Кевенаар, Том (2007). Безопасность с зашумленными данными: конфиденциальная биометрия, безопасное хранение ключей и защита от подделок. Springer. Дои:10.1007/978-1-84628-984-2. ISBN  978-184628-983-5.
  13. ^ а б Маес, Р. (2013). Физически неклонируемые функции: конструкции, свойства и приложения. Springer. ISBN  978-3-642-41395-7.
  14. ^ «Обзор технологии PUF».
  15. ^ К. Гердер, Л. Рен, М. ван Дейк, М-Д. Ю и С. Девадас, «Вычислительные нечеткие экстракторы с секретными дверями и криптографически защищенные физические неклонируемые функции», IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing, январь 2017 г.
  16. ^ МакГрат, Томас; Багчи, Ибрагим Э .; Wang, Zhiming M .; Рёдиг, Утц; Янг, Роберт Дж. (2019). «Таксономия PUF». Обзоры прикладной физики. 6 (11303): 011303. Bibcode:2019АпПРв ... 6а1303М. Дои:10.1063/1.5079407.
  17. ^ Helinski, R .; Ачарья, Д .; Плюскеллик, Дж. (2009). «Физическая неклонируемая функция, определяемая с использованием эквивалентных вариаций сопротивления системы распределения электроэнергии». Материалы 46-й конференции ACM / IEEE Design Automation (DAC): 676–681.
  18. ^ Chong, C.N .; Jiang, J .; Го, Л. (2008). «Защита от подделки со случайным рисунком». Труды Второй Международной конференции по новым системам безопасности информации, системам и технологиям (SECURWARE): 146–153.
  19. ^ а б Кристоф, Бем (2012). Физические неклонируемые функции в теории и практике. Springer.
  20. ^ К. Бом, М. Хофер и В. Прибыл, «Микроконтроллер sram-puf», в Сети и системной безопасности (NSS), 5-я Международная конференция, сентябрь 2011 г., стр. 269–273.
  21. ^ Маес, Р., и Ван дер Лест, В. «Противодействие влиянию старения кремния на ППУ SRAM», Материалы международного симпозиума IEEE 2014 года по аппаратно-ориентированной безопасности и доверию (HOST)
  22. ^ Бхаргава, М. «Надежные, безопасные, эффективные физические неклонируемые функции», Выставка исследований Университета Карнеги-Меллона @ CMU, Питтсбург, Пенсильвания, 2013 г.
  23. ^ Виджаякумар, А .; Патил, В.К .; и Кунду, С. «О повышении надежности физически неклонируемых функций на основе SRAM», Журнал маломощной электроники и приложений, 12 января 2017 г.
  24. ^ Gunlu, O .; Кернецкий, Т .; Iscan, O .; Сидоренко, В .; Kramer, G .; и Шефер, Р. «Безопасное и надежное ключевое соглашение с физическими неклонируемыми функциями», Entropy Journal, 3 мая 2018 г.
  25. ^ http://www.ememory.com.tw
  26. ^ "PUFsecurity | Защитите подключенный мир | Тайвань". Pufsecurity. Получено 2019-12-17.
  27. ^ "Сайт компании Enthentica". www.enthentica.com.
  28. ^ Веб-сайт компании Intrinsic ID
  29. ^ Microsemi предлагает защиту Intrinsic-ID в ПЛИС и системах на кристалле для чувствительных военных приложений, Военная и аэрокосмическая электроника, август 2011 г.
  30. ^ NXP и Intrinsic-ID для повышения безопасности смарт-чипов, EETimes, 2010 г.
  31. ^ Altera сотрудничает с Intrinsic-ID для разработки самой безопасной в мире высокопроизводительной FPGA, 12 октября 2015 г.
  32. ^ «IP Verayo PUF на устройствах Xilinx Zynq UltraScale + MPSoC отвечает требованиям безопасности».
  33. ^ Мерли, Доминик; Шустер, Дитер; Штумпф, Фредерик; Сигл, Георг (2011), "Анализ побочных каналов PUF и нечетких экстракторов", Доверие и надежные вычисления. 4-я международная конференция TRUST 2011, Питтсбург, Пенсильвания, США, 22-24 июня 2011 г. Труды, Конспект лекций по информатике, 6740, Springer Berlin Heidelberg, стр. 33–47, Дои:10.1007/978-3-642-21599-5_3, ISBN  978-3-642-21598-8
  34. ^ Шустер, Дитер (2010). Анализ побочных каналов физических неклонируемых функций (PUF) (PDF) (Диплом). Technische Universität München.
  35. ^ Рюрмаир, Ульрих; ван Дейк, Мартен (2013). PUF в протоколах безопасности: модели атак и оценка безопасности (PDF). Симпозиум IEEE по безопасности и конфиденциальности 2013 г. 19–22 мая 2013 г. Сан-Франциско, Калифорния, США.
  36. ^ Катценбайссер, Стефан; Коджабас, Юнал; Рожич, Владимир; Садеги, Ахмад-Реза; Verbauwhede, Ингрид; Ваксманн, Кристиан (2012), «PUFs: миф, факт или разорение? Оценка безопасности физически неклонируемых функций (PUFs), отлитых в кремнии», Криптографическое оборудование и встроенные системы - CHES 2012. 14-й международный семинар, Левен, Бельгия, 9-12 сентября 2012 г. Протоколы (PDF), Конспект лекций по информатике, 7428, Springer Berlin Heidelberg, стр. 283–301, Дои:10.1007/978-3-642-33027-8_17, ISBN  978-3-642-33026-1
  37. ^ Мерли, Доминик (2012). Аппаратные атаки на PUF (PDF). Труды AHS2012, Конференция НАСА / ЕКА по адаптивному оборудованию и системам. 25 - 28 июня 2012 г., Эрланген, Германия.
  38. ^ а б c Беккер, Георг (2015). Разрыв между обещанием и реальностью: о небезопасности PUF-функций XOR Arbiter. Конспект лекций по информатике. Дои:10.1007/978-3-662-48324-4_27.
  39. ^ Хельфмайер, Клеменс; Недоспасов Дмитрий; Бойт, Кристиан; Зейферт, Жан-Пьер (2013). Клонирование физически неклонируемых функций (PDF). Аппаратно-ориентированная безопасность и доверие IEEE (IEEE HOST 2013). 2–3 июня 2013 г. Остин, Техас, США.
  40. ^ Гассенд, Блэз; Кларк, Дуэйн; ван Дейк, Мартен; Девадас, Шринивас (2002). Кремниевые физические случайные функции. Материалы 9-й конференции ACM по компьютерной и коммуникационной безопасности - CCS '02. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: ACM Press. CiteSeerX  10.1.1.297.5196. Дои:10.1145/586110.586132. ISBN  978-1581136128. S2CID  1788365.
  41. ^ Гердер, Чарльз; Рен, Линг; ван Дейк, Мартен; Ю, Мэн-Дай; Девадас, Шринивас (01.01.2017). «Вычислительные нечеткие экстракторы с лазейками и криптографически защищенные физические неклонируемые функции без сохранения состояния». Транзакции IEEE о надежных и безопасных вычислениях. 14 (1): 65–82. Дои:10.1109 / tdsc.2016.2536609. ISSN  1545-5971.
  42. ^ Ганджи, Фатемех (2018). Об обучаемости физически неклонируемых функций. Springer. ISBN  978-3-319-76716-1.
  43. ^ Ганджи, Фатемех (2018). «PUFmeter: инструмент для проверки свойств физически неклонируемых функций» (PDF).
  44. ^ «Программное обеспечение, разработанное для проекта Trust-Hub (доступно для загрузки)». 2018.
  45. ^ Gunlu, O .; Iscan, O .; и Крамер Г. «Надежная генерация секретных ключей из физических неклонируемых функций в различных условиях окружающей среды», IEEE Workshop on Information Forensics and Security, 4 января 2016 г.

внешняя ссылка