Симметричные физически неклонируемые функции типа арбитр

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

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. 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.

1. Pappu, R. Physical One-Way Functions: PhD Thesis in Media Arts and Sciences / R. Pappu. – Cambridge : Massachusetts Institute of Technology, 2001. – 154 p.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Ярмолик, В. Н. Физически неклонируемые функции / В. Н. Ярмолик, Ю. Г. Вашинко // Информатика. – 2011. – № 2(30). – С. 92–103.

7. 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.

8. Böhm, C. Physical Unclonable Functions in Theory and Practice / C. Böhm, M. Hofer. – N. Y. : Springer Science + Business Media, 2013. – 270 p.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Иванюк, А. А. Физическая криптография и защита цифровых устройств / А. А. Иванюк, С. С. Заливако // Доклады БГУИР. – 2019. – № 2(120). – С. 50–58.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Ярмолик, В. Н. Двухмерные физически неклонируемые функции типа арбитр / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк // Информатика. – 2023. – Т. 20, № 1. – С. 7–26.

24. Ярмолик, В. Н. Сбалансированные физически неклонируемые функции типа арбитр / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк // Безопасность информационных технологий. – 2023. – № 1(30). – С. 92–107.

25. Ярмолик, В. Н. Контроль и диагностика вычислительных систем / В. Н. Ярмолик. – Минск : Бестпринт, 2019. – 387 с.

26. 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.

27. 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.