informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2024-21-1-9-27inform-1262Research ArticleЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ И НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМINFORMATION PROTECTION AND SYSTEM RELIABILITYСимметричные физически неклонируемые функции типа арбитрSymmetric physically unclonable functions of the arbiter typeЯрмоликВ. Н.YarmolikV. N.

Ярмолик Вячеслав Николаевич, доктор технических наук, профессор

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013 

Vyacheslav N. Yarmolik, D. Sc. (Eng.), Prof

st. P. Brovki, 6, Minsk, 220013 

yarmolik10ru@yahoo.comИванюкА. А.IvaniukA. A.

Иванюк Александр Александрович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информатики

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013 

Alexander A. Ivaniuk, D. Sc. (Eng.), Assoc. Prof., Prof. of Computer Science Department

st. P. Brovki, 6, Minsk, 220013 

ivaniuk@bsuir.byБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics202429032024211927Copyright © Ярмолик В.Н., Иванюк А.А., 20242024Ярмолик В.Н., Иванюк А.А.Yarmolik V.N., Ivaniuk A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inf.grid.by/jour/article/view/1262Цели

Цели. Решается задача построения нового класса физически неклонируемых функций типа арбитр (АФНФ), объединяющих достоинства как классических, так и сбалансированных АФНФ. Актуальность такого исследования связана с активным развитием физической криптографии. В работе преследуются следующие цели: исследование и анализ классических АФНФ, построение новой математической модели АФНФ и разработка нового базового элемента АФНФ.

Методы

Методы. Используются методы синтеза и анализа цифровых устройств, в том числе на программируемых логических интегральных схемах, основы булевой алгебры и схемотехники.

Результаты

Результаты. Установлено, что в классических АФНФ применяется стандартный базовый элемент, выполняющий три функции, а именно функцию формирования двух случайных величин Generate, функцию выбора пары путей Select и функцию переключения путей Switch, которые задаются одним битом запроса. Показано, что совместное использование этих функций, с одной стороны, позволяет достичь высоких характеристик АФНФ, а с другой – приводит к формированию асимметричного поведения АФНФ. С целью анализа основных характеристик АФНФ и их идеального поведения была рассмотрена новая математическая модель АФНФ, аналогичная модели случайного подбрасывания монеты. Для реализации АФНФ, функционирующих согласно предложенной модели, был разработан новый базовый элемент. Показано, что применение предложенного базового элемента позволяет строить симметричные физически неклонируемые функции (С_АФНФ), отличающиеся от классических АФНФ тем, что функции Generate, Select и Switch базового элемента выполняются независимыми его компонентами и задаются разными битами запроса.

Заключение

Заключение. Предложенный подход к построению симметричных физически неклонируемых функций, основанный на реализации функций Generate, Select и Switch различными компонентами базового элемента, показал свои работоспособность и перспективность. Экспериментально подтвержден эффект улучшения характеристик подобных С_АФНФ, и в первую очередь заметного улучшения их вероятностных свойств, выраженных в равной вероятности ответов. Перспективным представляется дальнейшее развитие идей построения С_АФНФ, экспериментальное исследование их характеристик, а также анализ устойчивости к различного рода атакам, в том числе и с использованием машинного обучения.

Objectives

Objectives. The problem of constructing a new class of physically unclonable functions of the arbiter type (APUF) that combines the advantages of both classical and balanced APUF is solved. The relevance of such a study is associated with the active development of physical cryptography. The following goals are pursued in the work: research and analysis of classical APUF, construction of a new mathematical model of APUF and development of a new basic element of APUF.

Methods

Methods. The methods of synthesis and analysis of digital devices are used, including those based on programmable logic integrated circuits, the basics of Boolean algebra and circuitry.

Results

Results. It has been established that classical APUF uses a standard basic element that performs three functions, namely, the function of generating two random variables Generate, the function of choosing a pair of paths Select and the function of switching paths Switch, which are specified by one bit of the challenge. It is shown that the joint use of these functions, on the one hand, makes it possible to achieve high characteristics of the APUF, and on the other hand, leads to the formation of an asymmetric behavior of the APUF. In order to analyze the main characteristics of APUF and their ideal behavior, a new mathematical model of APUF was considered, similar to the model of random coin toss. To implement APUF functioning according to the proposed model, a new basic element was developed. It is shown that the use of the proposed basic element allows to build symmetrical physically unclonable functions (C_APUF), which differ from the classical APUF in that the Generate, Select and Switch functions of the basic element are performed by their independent components and are specified by different bits of challenge.

Conclusion

Conclusion. The proposed approach to the construction of symmetrical physically unclonable functions, based on the implementation of the Generate, Select and Switch functions by various components of the base element, has shown its efficiency and promise. The effect of improving the characteristics of similar C_APUF has been experimentally confirmed, and, first of all, a noticeable improvement in their probabilistic properties expressed in equal probability of responses. It seems promising to further develop the ideas of building C_APUF, experimental study of their characteristics, as well as analysis of resistance to various types of attacks, including using machine learning.

физическая криптографияфизически неклонируемые функциифизические однонаправленные функциифизически неклонируемая функция типа арбитрphysical cryptographyphysically unclonable functionsphysical one-way functionsphysically unclonable arbiter-type functionReferencesPappu, R. Physical One-Way Functions: PhD Thesis in Media Arts and Sciences / R. Pappu. – Cambridge : Massachusetts Institute of Technology, 2001. – 154 p.Pappu R. Physical One-Way Functions: PhD Thesis in Media Arts and Sciences. Cambridge, Massachusetts Institute of Technology, 2001, 154 p.Silicon physical random functions / B. Gassend [et al.] // Proc. of the 9th Computer and Communications Security Conf. (CCS’02), Washington, DC USA, 18–22 Nov. 2002. – Washington, 2002. – P. 148–160.Gassend B., Clarke D., Dijk M. S., Devadas S. Silicon physical random functions. Proceedings of the 9th Computer and Communications Security Conference (CCS’02), Washington, DC USA, 18–22 November 2002. Washington, 2002, pp. 148–160.Security with Noisy Data: On Private Biometrics, Secure Key Storage and Anti-Counterfeiting / eds.: P. Tuyls, B. Skoric. – N. Y., USA : Springer, 2007. – 339 p.Tuyls P., Skoric B. (eds.). Security with Noisy Data: On Private Biometrics, Secure Key Storage and Anti-Counterfeiting. New York, USA, Springer, 2007, 339 p.PUFKY: A fully functional PUF-based cryptographic key generator / R. Maes, A. Van Herrewege, I. Verbauwhede // Proc. of 14th Intern. Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems (CHES 2012), Leuven, Belgium, 9–12 Sept. 2012. – Leuven, 2012. – P. 302–319.Maes R., Van Herrewege A., Verbauwhede I. PUFKY: A fully functional PUF-based cryptographic key generator. Proceedings of 14th International Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems (CHES 2012), Leuven, Belgium, 9–12 September 2012. Leuven, 2012, pp. 302–319.Robust key extraction from physical uncloneable functions / B. Skoric, P. Tuyls, W. Ophey // Proc. of Intern. Conf. Applied Cryptography and Network Security, N. Y., USA, 7–10 June 2005. – N. Y., 2005. – P. 407–422.Skoric B., Tuyls P., Ophey W. Robust key extraction from physical uncloneable functions. Proceedings of International Conference Applied Cryptography and Network Security, New York, USA, 7–10 June 2005. New York, 2005, pp. 407–422.Ярмолик, В. Н. Физически неклонируемые функции / В. Н. Ярмолик, Ю. Г. Вашинко // Информатика. – 2011. – № 2(30). – С. 92–103.Yarmolik V. N., Vashinko Y. G. Physical unclonable functions. Informatika [Informatics], 2011, no. 2(30), pp. 92–103 (In Russ.).Suh, G. E. Physical unclonable functions for device authentication and secret key generation / G. E. Suh, S. Devadas // Proc. of Intern. Design Automation Conf., DAC 2007, San Diego, California, USA, 4–8 June 2007. – San Diego, 2007. – P. 9–14.Suh G. E., Devadas S. Physical unclonable functions for device authentication and secret key generation. Proceedings of International Design Automation Conference, DAC 2007, San Diego, California, USA, 4–8 June 2007. San Diego, 2007, pp. 9–14.Böhm, C. Physical Unclonable Functions in Theory and Practice / C. Böhm, M. Hofer. – N. Y. : Springer Science + Business Media, 2013. – 270 p.Böhm C., Hofer M. Physical Unclonable Functions in Theory and Practice. New York, Springer Science + Business Media, 2013, 270 p.Rührmair, U. Strong PUFs: models, constructions, and security proofs / U. Rührmair, H. Busch, S. Katzenbeisser // Towards Hardware-Intrinsic Security / eds.: A.-R. Sadeghi, D. Naccache. – Berlin, Heidelberg : Springer, 2010. – P. 79–96.Rührmair U., Busch H., Katzenbeisser S. Strong PUFs: models, constructions, and security proofs. Towards Hardware-Intrinsic Security. In A.-R. Sadeghi, D. Naccache (eds.). Berlin, Heidelberg, Springer, 2010, pp. 79–96.A technique to build a secret key in integrated circuits for identification and authentication applications / J. W. Lee [et al.] // Proc. of Intern. Symp. VLSI Circuits (VLSI’04), Honolulu, Hawaii, USA, 7–19 June 2004. – Honolulu, 2004. – P. 176–179.Lee J. W., Lim D., Gassend B., Suh G. E., Van Dijk M., Devadas S. A technique to build a secret key in integrated circuits for identification and authentication applications. Proceedings of International Symposium VLSI Circuits (VLSI’04), Honolulu, Hawaii, USA, 7–19 June 2004. Honolulu, 2004, pp. 176–179.Extracting secret keys from integrated circuits / D. Lim [et al.] // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. – 2005. – Vol. 13, no. 10. – P. 1200–1205.Lim D., Lee J. W., Gassend B., Suh G. E., Van Dijk M., Devadas S. Extracting secret keys from integrated circuits. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 2005, vol. 13, no. 10, pp. 1200–1205.Иванюк, А. А. Физическая криптография и защита цифровых устройств / А. А. Иванюк, С. С. Заливако // Доклады БГУИР. – 2019. – № 2(120). – С. 50–58.Ivaniuk A. A., Zalivaka S. S. Physical cryptography and security of digital devices. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioèlektroniki [Reports of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics], 2019, no. 2(120), pp. 50–58 (In Russ.).Ярмолик, В. Н. Физически неклонируемые функции с управляемой задержкой распространения сигналов / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк, Н. Н. Шинкевич // Информатика. – 2022. − Т. 19, № 1. – С. 32–49.Yarmolik V. N., Ivaniuk A. A., Shynkevich N. N. Physically unclonable functions with controlled propagation delay. Informatika [Informatics], 2022, vol. 19, no. 1, pp. 32–49 (In Russ.).Using statistical models to improve the reliability of delay-based PUFs / X. Xu, W. Burleson, D. E. Holcomb // Proc. of IEEE Computer Society Annual Symp. on VLSI, Pittsburgh, PA, USA, 11–13 July 2016. – Pittsburgh, 2016. – P. 547–552.Xu X., Burleson W., Holcomb D. E. Using statistical models to improve the reliability of delay-based PUFs. Proceedings of IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI, Pittsburgh, PA, USA, 11–13 July 2016. Pittsburgh, 2016, pp. 547–552.An analysis of delay based PUF implementations on FPGA / S. Morozov, A. Maiti, P. Schaumont // Proc. of Intern. Symp. on Applied Reconfigurable Computing: Tools and Applications (ARC 2010), Los Angeles, CA, US, 25–27 Mar. 2010. – Los Angeles, 2010. – P. 382–387.Morozov S., Maiti A., Schaumont P. An analysis of delay based PUF implementations on FPGA. Proceedings of International Symposium on Applied Reconfigurable Computing: Tools and Applications (ARC 2010), Los Angeles, CA, US, 25–27 March 2010. Los Angeles, 2010, pp. 382–387.Клыбик, В. П. Метод увеличения стабильности физически неклонируемой функции типа «арбитр» / В. П. Клыбик, С. С. Заливако, А. А. Иванюк // Информатика. – 2017. − № 1(53). – С. 31–43.Klybik V. P., Zalivaka S. S., Ivaniuk A. A. Reliability enhancement method for "arbiter" physicaly unclonable function. Informatika [Informatics], 2017, no. 1(53), pp. 31–43 (In Russ.).Ярмолик, В. Н. Физически неклонируемые функции типа арбитр с заведомо асимметричными парами путей / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк // Доклады БГУИР. – 2022. – № 4(20). – С. 71–79.Yarmolik V. N., Ivaniuk A. A. Arbiter physical unclonable functions with asymmetric pairs of paths. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioèlektroniki [Reports of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics], 2022, no. 4(20), pp. 71–79 (In Russ.).Secure and reliable XOR arbiter PUF design: An experimental study based on 1 trillion challenge response pair measurements / C. Zhou, K. K. Parhi, C. H. Kim // Proc. of the 54th Annual Design Automation, Austin, TX, USA, 18 June 2017. – Austin, 2017. – P. 18–22.Zhou C., Parhi K. K., Kim C. H. Secure and reliable XOR arbiter PUF design: An experimental study based on 1 trillion challenge response pair measurements. Proceedings of the 54th Annual Design Automation, Austin, TX, USA, 18 June 2017. Austin, 2017, pp. 18–22.Implementation of double arbiter PUF and its performance evaluation on FPGA / T. Machida [et al.] // Proc. of the 20th Asia and South Pacific Design Automation Conf., Chiba, Japan, 19 Jan. 2015. – Chiba, 2015. – P. 6–7.Machida T., Yamamoto D., Iwamoto M., Sakiyama K. Implementation of double arbiter PUF and its performance evaluation on FPGA. Proceedings of the 20th Asia and South Pacific Design Automation Conference, Chiba, Japan, 19 January 2015. Chiba, 2015, pp. 6–7.Side channel modeling attacks on 65nm arbiter PUFs exploiting CMOS device noise / J. Delvaux, I. Verbauwhede // Proc. of IEEE Intern. Symp. on Hardware-Oriented Security and Trust (HOST), Austin, TX, USA, 2–3 June 2013. – Austin, 2013. – P. 137–142.Delvaux J., Verbauwhede I. Side channel modeling attacks on 65nm arbiter PUFs exploiting CMOS device noise. Proceedings of IEEE International Symposium on Hardware-Oriented Security and Trust (HOST), Austin, TX, USA, 2–3 June 2013. Austin, 2005, pp. 137–142.PUF modeling attacks on simulated and silicon data / U. Rührmair [et al.] // IEEE Transactions on Information Forensics and Security. – 2013. – Vol. 11, no. 8. – P. 1876–1891.Rührmair U., Sölter J., Sehnke F., Xu X., Mahmoud A., …, Devadas S. PUF modeling attacks on simulated and silicon data. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2013, vol. 11, no. 8, pp. 1876–1891.Шамына, А. Ю. Построение и балансировка путей физически неклонируемой функции типа арбитр на FPGA / А. Ю. Шамына, А. А. Иванюк // Информатика. – 2022. – Т. 19, № 4. – С. 27–41.Shamyna A. Yu., Ivaniuk A. A. Creating and balancing the paths of arbiter-based physically unclonable functions on FPGA. Informatika [Informatics], 2022, vol. 19, no. 4, pp. 27–41 (In Russ.).Ярмолик, В. Н. Двухмерные физически неклонируемые функции типа арбитр / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк // Информатика. – 2023. – Т. 20, № 1. – С. 7–26.Yarmolik V. N., Ivaniuk A. A. 2D physically unclonable functions of the arbiter type. Informatika [Informatics], 2023, vol. 20, no. 1, pp. 7–26 (In Russ.).Ярмолик, В. Н. Сбалансированные физически неклонируемые функции типа арбитр / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк // Безопасность информационных технологий. – 2023. – № 1(30). – С. 92–107.Yarmolik V. N., Ivaniuk A. A. Balanced arbiter physical uncloneable functions. Bezopasnost' informacionnyh tehnologij [IT Security], 2023, no. 1(30), pp. 92–107.Ярмолик, В. Н. Контроль и диагностика вычислительных систем / В. Н. Ярмолик. – Минск : Бестпринт, 2019. – 387 с.Yarmolik V. N. Kontrol’ i diagnostika vuchislitel’nuh system. Monitoring and Diagnostics of Computer Systems. Minsk, Bestprint, 2019, 387 p. (In Russ.).Implementation of pseudo-linear feedback shift register-based physical unclonable functions on silicon and sufficient Challenge-Response pair acquisition using Built-In Self-Test before shipping / Y. Ogasahara [et al.] // Integration, the VLSI J. – 2020. – Vol. 71. – P. 144–153.Ogasahara Y., Hori Y., Katashita T., Iizuka T., Awano H., …, Koike H. Implementation of pseudo-linear feedback shift register-based physical unclonable functions on silicon and sufficient Challenge-Response pair acquisition using Built-In Self-Test before shipping. Integration, the VLSI Journal, 2020, vol. 71, pp. 144–153.Evaluation of physical unclonable functions for 28-nm process field-programmable gate arrays / Y. Hori [et al.] // J. of Information Processing. – 2014. – Vol. 22, no. 2. – P. 344–356.Hori Y., Kang H., Katashita T., Satoh A., Kawamura S., Kobara K. Evaluation of physical unclonable functions for 28-nm process field-programmable gate arrays. Journal of Information Processing, 2014, vol. 22, no. 2, pp. 344–356.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.