TU Darmstadt / ULB / TUprints

Physically Uncloneable Functions in the Stand-Alone and Universally Composable Framework

Schröder, Heike :
Physically Uncloneable Functions in the Stand-Alone and Universally Composable Framework.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

[img]
Preview
Text
dissertation_schroeder.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (2MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Physically Uncloneable Functions in the Stand-Alone and Universally Composable Framework
Language: English
Abstract:

In this thesis, we investigate the possibility of basing cryptographic primitives on Physically Uncloneable Functions (PUF). A PUF is a piece of hardware that can be seen as a source of randomness. When a PUF is evaluated on a physical stimulus, it answers with a noisy output. PUFs are unpredictable such that even if a chosen stimulus is given, it should be infeasible to predict the corresponding output without physically evaluating the PUF. Furthermore, PUFs are uncloneable, which means that even if all components of the system are known, it is computational infeasible to model their behavior. In the course of this dissertation, we discuss PUFs in the context of their implementation, their mathematical description, as well as their usage as a cryptographic primitive and in cryptographic protocols.

We first give an overview of the most prominent PUF constructions in order to derive subsequently an appropriate mathematical PUF model. It turns out that this is a non- trivial task, because it is not certain which common security properties are generally necessary and achievable due to the numerous PUF implementations.

Next, we consider PUFs in security applications. Due to the properties of PUFs, these hardware tokens are good to build authentication protocols that rely on challenge/response pairs. If the number of potential PUF-based challenge/response pairs is large enough, an adversary cannot measure all PUF responses. Therefore, the at- tacker will most likely not be able to answer the challenge of the issuing party even if he had physical access to the PUF for a short time. However, we show that some of the previously suggested protocols are not fully secure in the attacker model where the adversary has physical control of the PUF and the corresponding reader during a short time.

Finally, we analyze PUFs in the universally composable (UC) framework for the first time. Although hardware tokens have been considered before in the UC framework, designing PUF-based protocols is fundamentally different from other hardware token approaches. One reason is that the manufacturer of the PUF creates a physical object that outputs pseudorandom values, but where no specific code is running. In fact, the functional behavior of the PUF is unpredictable even for the PUF creator. Thus, only the party in possession of the PUF has full access to the secrets. After formalizing PUFs in the UC framework, we derive efficient UC-secure protocols for basic tasks like oblivious transfer, commitments, and key exchange.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit untersuchen wir die Möglichkeit, kryptographische Primitive auf Physikalisch Unkopierbare Funktionen (PUF) zu gründen. Ein PUF ist ein Stück Hardware, welches als Zufallsquelle angesehen werden kann. Wird ein PUF durch einen physikalischen Stimulus angeregt, so antwortet er mit einer verrauschten Ausgabe. PUFs sind nicht vorhersehbar, sodass es unmöglich sein sollte, ohne physische Auswertung des PUFs, die entsprechende Ausgabe vorherzusagen, selbst bei einem gewählten und vorgegebenen Stimulus. Außerdem sind PUFs nicht kopierbar, was soviel bedeutet, dass, selbst wenn alle Komponenten des Systems bekannt sind, es berechnungsmäßig un- möglich ist, ihr Verhalten zu modellieren. Im Zuge dieser Arbeit diskutieren wir PUFs im Rahmen ihrer Implementierung, ihrer mathematischen Beschreibung, sowie ihrer Verwendung als kryptographisches Primitiv und in kryptographischen Protokollen. Zunächst geben wir einen Überblick über die prominentesten PUF Konstruktionen, um anschließend ein geeignetes mathematisches PUF Modell abzuleiten. Es stellt sich heraus, dass dies eine nicht-triviale Aufgabe ist, da nicht sicher ist, welche gemeinsamen Sicherheitseigenschaften aufgrund der zahlreichen PUF Implementierungen im Allgemeinen notwendig und erreichbar sind. Als nächstes betrachten wir PUFs in Sicherheitsanwendungen. Aufgrund der PUF Eigenschaften eignen sich diese Hardwarestücke gut dazu, Authentifizierungsprotokolle basierend auf Challenge/Response-Paaren zu bauen. Ist die Anzahl der potenziellen PUF-basierten Challenge/Response-Paaren groß genug, so kann ein Angreifer nicht alle PUF Antworten messen. Somit wird ein Angreifer höchstwahrscheinlich nicht in der Lage sein, die Herausforderung der fragenden Partei zu beantworten, auch wenn er für eine kurze Zeit den physischen Zugriff auf den PUF hatte. Wir zeigen hingegen, dass bereits vorgeschlagenen Protokolle nicht vollständig in dem Angreifermodell sicher sind, in dem der Gegner genau für eine kurze Zeit physische Kontrolle über den PUF und das entsprechende Lesegerät hat. Zum Abschluß analysieren wir zum ersten Mal PUFs im Universally Composable (UC) Modell. Obwohl Hardwarestücke zuvor in dem UC Modell betrachtet worden sind, unterscheidet sich das Designen von PUF-basierten Protokollen grundlegend von anderen Ansätzen, die auf Hardwarestück basieren. Ein Grund dafür ist, dass der Hersteller des PUFs ein physisches Objekt herstellt, welches pseudozufällige Werte ausgibt, jedoch keinen spezifischen Code ausgeführt. Tatsächlich ist das funktionale Verhalten des PUF auch für den PUF Fabrikanten unvorhersehbar. Somit hat nur die Partei im Besitz des PUFs vollen Zugang zu den Geheimnissen. Nach der Formalisierung von PUFs im UC Modell leiten wir effiziente UC-sichere Protokolle für grundlegende Anwendungen wie Oblivious Transfer, Bit Commitment und Schlüssel-Austausch ab.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Security Engineering
Date Deposited: 13 Sep 2013 13:11
Last Modified: 13 Sep 2013 13:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36036
Referees: Katzenbeisser, Prof. Dr. Stefan and Fischlin, Prof. Dr. Marc
Refereed: 3 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3603
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year