Implementation of a key generation circuit using a ring oscillator PUFs

Abstract

Η ραγδαία αύξηση των εφαρμογών του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) έχει εισαγάγει δισεκατομμύρια διασυνδεδεμένες συσκευές, δημιουργώντας σημαντικές προκλήσεις στη διασφάλιση της εμπιστευτικότητας, της ακεραιότητας των δεδομένων και της αυθεντικοποίησης συσκευών. Οι παραδοσιακοί μηχανισμοί ασφαλείας βασίζονται συχνά στην ασφαλή αποθήκευση κρυπτογραφικών κλειδιών, τα οποία όμως είναι ευάλωτα σε φυσικές επιθέσεις, κλωνοποίηση και εξαγωγή κλειδιών, ιδιαίτερα σε περιβάλλοντα IoT με περιορισμένους πόρους. Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, οι Φυσικά μη Κλωνοποιήσιμες Συναρτήσεις (PUFs) έχουν αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη υλικοκεντρική λύση, η οποία παράγει κρυπτογραφικά χρήσιμη πληροφορία παραμένοντας παράλληλα ανθεκτική στις προαναφερθείσες επιθέσεις. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός συστήματος παραγωγής κλειδιών βασισμένου σε PUF Ταλαντωτή Δακτυλίου (Ring Oscillator – RO), εμπνευσμένου από την αρχιτεκτονική που προτείνεται στη σχετική βιβλιογραφία [1]. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική παράγει κρυπτογραφικά κλειδιά μέσω ενός μηχανισμού ζευγών ερωτήματος-απόκρισης (Challenge-Response Pairs), σε συνδυασμό με στάδια μετεπεξεργασίας που διασφαλίζουν τη μοναδικότητα και την επαναληψιμότητα υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Παράλληλα με την υλοποίηση σε υλικό του γεννήτριου κλειδιών, η εργασία περιλαμβάνει και λογισμικό διεπαφής που υλοποιείται στο υποσύστημα επεξεργασίας (Processing System) της χρησιμοποιούμενης πλακέτας. Τέλος, παρουσιάζεται ένα σύνολο σεναρίων αξιολόγησης και εξειδικευμένων εργαλείων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της εργασίας.