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Función física no clonable

Las PUF actúan como huellas dactilares de identificación única digital [1]

Una función física no clonable (a veces también llamada función físicamente no clonable , que se refiere a una métrica de seguridad más débil que una función física no clonable [ cita requerida ] ), o PUF , es un objeto físico cuyo funcionamiento no se puede reproducir ("clonar") de forma física (haciendo otro sistema que use la misma tecnología), que para una entrada y condiciones dadas (desafío), proporciona una salida de "huella digital" definida físicamente (respuesta). que sirve como un identificador único , con mayor frecuencia para un dispositivo semiconductor como un microprocesador. Las PUF a menudo se basan en variaciones físicas únicas que ocurren naturalmente durante la fabricación de semiconductores. [2] Una PUF es una entidad física incorporada en una estructura física. Las PUF se implementan en circuitos integrados , incluidos los FPGA , [3] y se pueden usar en aplicaciones con requisitos de alta seguridad, más específicamente criptografía , dispositivos de Internet de las cosas (IOT) [4] y protección de la privacidad . [5]

Historia

Las primeras referencias sobre sistemas que explotan las propiedades físicas de sistemas desordenados con fines de autenticación se remontan a Bauder en 1983 [6] y Simmons en 1984. [7] [8] Naccache y Frémanteau proporcionaron un esquema de autenticación en 1992 para tarjetas de memoria. [9] Las PUF fueron propuestas formalmente por primera vez de manera general por Pappu en 2001, [10] bajo el nombre de Función Física Unidireccional (POWF), y el término PUF se acuñó en 2002, [11] mientras se describía la primera PUF integrada donde, a diferencia de las PUF basadas en óptica, los circuitos de medición y la PUF están integrados en el mismo circuito eléctrico (y fabricados en silicio).

A partir de 2010, PUF ganó atención en el mercado de tarjetas inteligentes como una forma prometedora de proporcionar "huellas dactilares de silicio", creando claves criptográficas que son exclusivas de cada tarjeta inteligente. [12] [13]

Las PUF ahora se establecen como una alternativa segura al almacenamiento respaldado por batería de claves secretas en FPGAs comerciales , como Xilinx Zynq Ultrascale+, [14] y Altera Stratix 10. [15]

Concepto

Los PUF dependen de la singularidad de su microestructura física, que depende de factores físicos aleatorios introducidos durante la fabricación. Estos factores son impredecibles e incontrolables, lo que hace que sea prácticamente imposible duplicar o clonar la estructura.

En lugar de incorporar una única clave criptográfica, las PUF implementan la autenticación de desafío-respuesta para evaluar esta microestructura. Cuando se aplica un estímulo físico a la estructura, esta reacciona de una manera impredecible (pero repetible) debido a la interacción compleja del estímulo con la microestructura física del dispositivo. Esta microestructura exacta depende de factores físicos introducidos durante la fabricación, que son impredecibles (como una moneda justa ). El estímulo aplicado se denomina desafío y la reacción de la PUF se denomina respuesta. Un desafío específico y su respuesta correspondiente forman juntos un par desafío-respuesta o CRP. La identidad del dispositivo se establece por las propiedades de la propia microestructura. Como esta estructura no se revela directamente por el mecanismo de desafío-respuesta, dicho dispositivo es resistente a los ataques de suplantación de identidad .

Utilizando un extractor difuso o el esquema de compromiso difuso que son demostrablemente subóptimos en términos de cantidad de fuga de privacidad y almacenamiento o utilizando códigos polares anidados [16] que pueden hacerse asintóticamente óptimos, se puede extraer una clave criptográfica única y fuerte de la microestructura física. [17] La ​​misma clave única se reconstruye cada vez que se evalúa la PUF. [18] [19] Luego, el mecanismo de desafío-respuesta se implementa utilizando criptografía . [ cita requerida ]

Las PUF se pueden implementar con una inversión de hardware muy pequeña en comparación con otras primitivas criptográficas que proporcionan un comportamiento de entrada/salida impredecible, como las funciones pseudoaleatorias . En algunos casos, las PUF incluso se pueden construir a partir de hardware existente con las propiedades adecuadas. [ cita requerida ]

La imposibilidad de clonar significa que cada dispositivo PUF tiene una forma única e impredecible de asignar desafíos a respuestas, incluso si se fabricó con el mismo proceso que un dispositivo similar, y no es factible construir un PUF con el mismo comportamiento de desafío-respuesta que otro PUF dado porque el control exacto sobre el proceso de fabricación es inviable. La imposibilidad de clonar matemáticamente significa que debería ser muy difícil calcular una respuesta desconocida dados los otros CRP o algunas de las propiedades de los componentes aleatorios de un PUF. Esto se debe a que una respuesta se crea por una interacción compleja del desafío con muchos o todos los componentes aleatorios. En otras palabras, dado el diseño del sistema PUF, sin conocer todas las propiedades físicas de los componentes aleatorios, los CRP son altamente impredecibles. La combinación de imposibilidad de clonar física y matemática hace que un PUF sea verdaderamente imposible de clonar. [18] [20]

Tenga en cuenta que una PUF es "inclonable" utilizando la misma implementación física, pero una vez que se extrae una clave de PUF, generalmente no hay problema con clonar la clave (la salida de la PUF) utilizando otros medios. Para las "PUF fuertes", se puede entrenar una red neuronal con pares de desafío-respuesta observados y utilizarla para predecir respuestas no observadas. [ cita requerida ]

Debido a estas propiedades, las PUF se pueden utilizar como un identificador de dispositivo único e inalterable. Las PUF también se pueden utilizar para la generación y el almacenamiento seguros de claves y como fuente de aleatoriedad .

Clasificación

Fuerte/Débil

Implícito/explícito

Todas las implementaciones de una determinada PUF dentro de un dispositivo determinado se crean de manera uniforme mediante procesos escalables. Por ejemplo, cuando se produce un criptoprocesador basado en un chip de silicio, se crean muchos procesadores en la misma oblea de silicio. El equipo de fundición aplica las mismas operaciones a todos los chips de una oblea e intenta hacerlo de la forma más reproducible posible para tener características de rendimiento y confiabilidad predecibles y altas en todos los chips. A pesar de esto, se debe generar aleatoriedad para que la PUF en cada chip sea única.

Intrínseco/extrínseco

Tipos

Se han sugerido más de 40 tipos de PUF. [21] Estos van desde PUF que evalúan un elemento intrínseco de un sistema electrónico integrado preexistente [22] hasta conceptos que implican la introducción explícita de distribuciones de partículas aleatorias en la superficie de objetos físicos para su autenticación. [23] Todas las PUF están sujetas a variaciones ambientales como la temperatura, el voltaje de suministro y la interferencia electromagnética , que pueden afectar su rendimiento. Por lo tanto, en lugar de ser simplemente aleatoria, el verdadero poder de una PUF es su capacidad de ser diferente entre dispositivos pero, al mismo tiempo, ser la misma en diferentes condiciones ambientales en el mismo dispositivo.

Corrección de errores

En muchas aplicaciones, es importante que la salida sea estable. Si se utiliza la PUF para una clave en algoritmos criptográficos, es necesario que se realice una corrección de errores para corregir cualquier error causado por los procesos físicos subyacentes y reconstruir exactamente la misma clave cada vez en todas las condiciones de funcionamiento. En principio, existen dos conceptos básicos: código de corrección de errores (ECC) de preprocesamiento y de posprocesamiento. [24] [25]

Las unidades ECC en chip aumentan el tamaño, la potencia y el tiempo de procesamiento de datos; también exponen vulnerabilidades a ataques de análisis de potencia que intentan modelar matemáticamente la PUF. Por otra parte, algunos diseños de PUF como la EC-PUF no requieren una unidad ECC en chip. [2]

Se han desarrollado estrategias que hacen que la PUF de SRAM sea más confiable con el tiempo sin degradar otras medidas de calidad de la PUF, como la seguridad y la eficiencia. [26]

Una investigación realizada en la Universidad Carnegie Mellon sobre varias implementaciones de PUF descubrió que algunas técnicas de reducción de errores redujeron los errores en la respuesta de PUF en un rango de ~70 por ciento a ~100 por ciento. [27]

Una investigación de la Universidad de Massachusetts Amherst para mejorar la confiabilidad de las claves generadas por PUF de SRAM postuló una técnica de corrección de errores para reducir la tasa de errores. [28]

Se utilizan métodos de codificación de confiabilidad-secreto conjuntos basados ​​en codificación de transformada para obtener confiabilidades significativamente más altas para cada bit generado a partir de una PUF, de modo que los códigos de corrección de errores de baja complejidad, como los códigos BCH, sean suficientes para satisfacer una restricción de probabilidad de error de bloque de 1 bit de error de cada mil millones de bits. [29]

Los códigos polares anidados se utilizan para la cuantificación de vectores y la corrección de errores de forma conjunta. Su rendimiento es asintóticamente óptimo en términos de, para una longitud de bloque dada, el número máximo de bits secretos generados, la cantidad mínima de información privada filtrada sobre las salidas de PUF y el almacenamiento mínimo requerido. Se ha demostrado que el esquema de compromiso difuso y los extractores difusos son subóptimos en términos del almacenamiento mínimo. [16]

Disponibilidad

Vulnerabilidades

En 2011, una investigación universitaria demostró que las implementaciones de PUF basadas en retardo son vulnerables a ataques de canal lateral [39] [40] y recomienda que se empleen contramedidas en el diseño para prevenir este tipo de ataque. Además, la implementación incorrecta de PUF podría introducir " puertas traseras " en un sistema que de otro modo sería seguro. [41] [42] En junio de 2012, Dominik Merli, un científico de Fraunhofer Research Institution for Applied and Integrated Security (AISEC), afirmó además que las PUF introducen más puntos de entrada para hackear un sistema criptográfico y que se requiere una mayor investigación sobre las vulnerabilidades de las PUF antes de que se puedan utilizar en aplicaciones prácticas relacionadas con la seguridad. [43] Los ataques presentados son todos sobre PUF implementados en sistemas inseguros, como FPGA o RAM estática (SRAM). También es importante asegurarse de que el entorno sea adecuado para el nivel de seguridad necesario, [24] ya que de lo contrario pueden ser posibles ataques que aprovechen la temperatura y otras variaciones. [44]

En 2015, algunos estudios afirmaron que es posible atacar ciertos tipos de PUF con equipos de bajo costo en cuestión de milisegundos. Un equipo de la Universidad del Ruhr de Bochum, Alemania, demostró un método para crear un modelo de PUF de XOR Arbiter y así poder predecir su respuesta a cualquier tipo de desafío. Su método requiere solo 4 CRP, que incluso en dispositivos con recursos limitados no deberían tardar más de 200 ms en producirse. Usando este método y un dispositivo de $25 o un teléfono inteligente habilitado con NFC, el equipo pudo clonar con éxito tarjetas RFID basadas en PUF almacenadas en la billetera de los usuarios mientras estaban en su bolsillo trasero. [45]

Ataques de aprendizaje automático demostrables

Los ataques mencionados anteriormente van desde ataques invasivos, por ejemplo, [46] hasta ataques no invasivos. [45] Uno de los tipos de ataques no invasivos más celebrados son los ataques de aprendizaje automático (ML). [45] Desde el comienzo de la era de las PUF, se ha dudado de si estas primitivas están sujetas a este tipo de ataques. [47] En la falta de análisis exhaustivos y pruebas matemáticas de la seguridad de las PUF, se han introducido ataques ad hoc contra las PUF en la literatura. En consecuencia, las contramedidas presentadas para hacer frente a estos ataques son menos efectivas. En línea con estos esfuerzos, se ha conjeturado si las PUF pueden considerarse como circuitos, siendo demostrablemente difíciles de romper. [48] En respuesta, se ha sugerido un marco matemático, donde se han introducido algoritmos de ML demostrables contra varias familias conocidas de PUF. [49]

Junto con este marco de ML demostrable, para evaluar la seguridad de las PUF contra ataques de ML, se han reintroducido algoritmos de prueba de propiedades en la comunidad de seguridad de hardware y se han hecho accesibles al público. [50] [51] Estos algoritmos tienen sus raíces en campos de investigación bien establecidos, a saber, pruebas de propiedades , teoría de aprendizaje automático y análisis booleano .

Los ataques ML también pueden aplicarse a las PUF porque la mayoría de los métodos de pre y posprocesamiento aplicados hasta ahora ignoran el efecto de las correlaciones entre las salidas de los circuitos PUF. Por ejemplo, obtener un bit comparando dos salidas de oscilador en anillo es un método para disminuir la correlación. Sin embargo, este método no elimina todas las correlaciones. Por lo tanto, las transformaciones clásicas de la literatura de procesamiento de señales se aplican a las salidas de circuitos PUF sin procesar para descorrelacionarlas antes de cuantificar las salidas en el dominio de la transformada para generar secuencias de bits. Dichos métodos de descorrelación pueden ayudar a superar las fugas de información basadas en la correlación sobre las salidas de los circuitos PUF incluso si la temperatura ambiente y el voltaje de suministro cambian. [52]

PUF ópticos

Las PUF ópticas se basan en un medio de dispersión múltiple óptica aleatoria, que funciona como un token. [10] Las PUF ópticas ofrecen un enfoque prometedor para desarrollar esquemas de autenticación de entidades que sean robustos contra muchos de los ataques mencionados anteriormente. Sin embargo, su seguridad contra ataques de emulación solo se puede garantizar en el caso de lectura cuántica (ver más abajo) o cuando la base de datos de pares de desafío-respuesta está encriptada de alguna manera. [53]

Los PUF ópticos se pueden fabricar de forma muy sencilla: un barniz que contenga purpurina, una pintura metalizada o un acabado esmerilado obtenido mediante el arenado de una superficie, por ejemplo, son prácticamente imposibles de clonar. Su aspecto cambia según el punto de vista y la iluminación.

La autentificación de una PUF óptica requiere una adquisición fotográfica para medir la luminosidad de varias de sus partes y la comparación de esta adquisición con otra realizada previamente desde el mismo punto de vista. Esta adquisición debe complementarse con una adquisición adicional ya sea desde otro punto de vista, o bajo una iluminación diferente para verificar que esto da como resultado una modificación del aspecto de la PUF.

Esto se puede hacer con un teléfono inteligente, sin equipo adicional, utilizando medios ópticos para determinar la posición en la que se encuentra el teléfono inteligente en relación con la PUF.

Las investigaciones teóricas sugieren que las PUF ópticas con medios de dispersión múltiple no lineal pueden ser más robustas que sus contrapartes lineales frente a la posible clonación del medio. [54]

Véase también

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