PUF

A Physical Unclonable  Function ( PUF ) er en funktion, der er inkorporeret i en fysisk struktur, der er let at evaluere, men svær at karakterisere, modellere eller reproducere. Den fysiske struktur, der indeholder PUF'en, består af mange tilfældige komponenter. Disse tilfældige komponenter introduceres under fremstillingsprocessen og er ikke kontrolleret. PUF er et fysisk system, der, når det reageres på (en anmodning), genererer et unikt, men uforudsigeligt svar. En specifik udfordring og dens tilsvarende respons danner tilsammen et Challenge - Response Pair ( CRP ) .  PUF ligner på mange måder en hash-funktion, et fysisk system bestående af mange tilfældige komponenter svarer til en nøgle . PUF er også en irreversibel funktion.

PUF'er er ikke-klonbare på grund af det faktum, at hver PUF har en unik og uforudsigelig måde at vise opkald på. To PUF'er, der er skabt ud fra de samme produktionsprocesser, vil stadig have forskellig adfærd.

PUF har to vigtige egenskaber:

1. Det er praktisk talt umuligt at lave en fysisk kopi af en PUF.
2. Det er umuligt at skabe en nøjagtig matematisk model af PUF, dvs. beregne svaret, hvis de nøjagtige anmodningsparametre og andre anmodning-svar- par er givet . På grund af kompleksiteten af ​​den fysiske interaktion giver denne opgave store beregningsmæssige vanskeligheder.
   

Disse kvaliteter kaldes tilsammen ikke-klonbarhed.

PUF kan bruge forskellige kilder til fysisk tilfældighed. Der skelnes mellem PUF'er, hvor vilkårlighed indføres af eksterne faktorer, og dem, hvor det er en egenskab, der er iboende i det fysiske system.

Historie

De første referencer til systemer, der anvender tilfældige variationer i produktionsprocessen, findes i Bauder 1983 [1] og Simmons 1984 [2] [3] . Naccache og Fremanto i 1992 designede et skema til at autentificere hukommelseskort. [4] Udtrykkene POWF (fysisk envejsfunktion) og PUF (fysisk ikke-klonbar funktion) dukkede op i 2001 [5] og 2002. [6]

Mellem 2010 og 2013 begyndte PUF at blive brugt i smart card- industrien som en lovende metode til at skabe et "elektronisk fingeraftryk" - unikke kryptografiske nøgler til hvert enkelt smart card. [7] [8]

I øjeblikket har PUF'er vist sig at være et pålideligt alternativ til private nøglebutikker i kommercielle FPGA -designs såsom Xilinx Zynq Ultrascale+ [9] og Altera Stratix 10. [10]

Koncept

PUF'er er afhængige af det unikke ved deres fysiske mikrostruktur. Denne mikrostruktur afhænger af tilfældige faktorer, der opstår under produktionsprocessen. Disse faktorer er uforudsigelige og ukontrollerbare, hvilket gør det praktisk talt umuligt at genskabe eller klone en PUF's struktur.

PUF'er arbejder på en udfordring-respons (eller udfordring-respons) basis . Når et fysisk signal påføres en PUF-enhed, reagerer det på en uforudsigelig, men gentagelig måde på grund af signalets komplekse interaktion med enhedens mikrostruktur. Signalet påført PUF kaldes en udfordring (eller anmodning), og outputtilstanden for PUF kaldes et svar. En specifik anmodning og dens tilsvarende svar danner et udfordring-svar-par ( Challenge-Response Pair, CRP ) .  Enhedens identitet fastlægges af egenskaberne af dens mikrostruktur. Da denne mikrostruktur ikke eksponeres af anmodning-svar-mekanismen, er en sådan enhed modstandsdygtig over for spoofing .

PUF'er kan også bruges til at udlede stærke kryptografiske nøgler fra den fysiske mikrostruktur. [11] Med hver anmodning genererer PUF den samme unikke kryptografiske nøgle. [12] [13] Challenge-response-mekanismen kan implementeres ved hjælp af kryptografi .

PUF'er kan implementeres med små hardwareomkostninger. For eksempel kræver en ROM , der indeholder en tabel med svar på alle mulige anmodninger, antallet af komponenter, der skal bygges, som vokser eksponentielt med antallet af bit i anmodningen. Samtidig kan PUF'en designes på en sådan måde, at antallet af nødvendige komponenter vil vokse lineært med antallet af bits i anmodningen.

Ikke-klonbarhed betyder, at hver PUF-enhed er unik og har en uforudsigelig respons på en anmodning, selvom den blev produceret på samme måde som en anden enhed. Det er med andre ord ikke muligt at oprette en PUF med det samme sæt anmodning-svar-par, som en anden PUF har, da små fejl i fremstillingsprocessen er ukontrollerbare. Matematisk betyder ikke-klonbarhed, at det er meget vanskeligt at beregne et ukendt svar på en anmodning eller egenskaber af nogen PUF-komponenter, da svaret er dannet af den komplekse interaktion mellem anmodningen med mange PUF-komponenter. Med andre ord, givet skemaet, hvorved PUF'en blev produceret, men ikke at kende alle de fysiske egenskaber af dens tilfældige komponenter, er svarene på anmodninger næsten uforudsigelige. Kombinationen af ​​fysisk og matematisk ikke-klonbarhed gør PUF virkelig ikke-klonbar. [12] [14]

Bemærk, at PUF'er er ikke-klonbare i den forstand, at hver enhed er unik, givet den samme fremstillingsproces. Men hvis nøglen, der er lagret af PUF'en, er blevet afsløret, så er det ikke svært at kopiere denne nøgle (outputtet af PUF'en) ved hjælp af andre metoder.

På grund af disse egenskaber kan PUF'er bruges som unikke identifikatorer for andre enheder. PUF'er kan også bruges som hemmelige nøglegeneratorer og lagre, såvel som kilder til tilfældighed .

Anvendelsesområder for PUF'er

Et stort antal enheder kan udstyres med en PUF, såsom tokens , smartcards , bankkort , værdipapirer , integrerede kredsløb , sikkerhedskameraer.

PUF'er er nyttige til systemer, hvor verifikatoren med sikkerhed ved, at måleinstrumenterne kan stole på, og den rigtige PUF bruges til forskning. PUF er vanskelig at bruge til at identificere fjernadgangsprotokoller. En angriber kan kopiere data fra enhver PUF og derefter indtaste data via tastaturet. Styreenheden kan ikke afgøre, om en PUF faktisk præsenteres for den.

Typer af PUF'er

PUF'er, hvor lidelse introduceres af eksterne faktorer