[論文レビュー] High-Rate Error Correction Schemes for SRAM-PUFs based on Polar Codes.

Bin Chen, Tanya Ignatenko+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、極性符号を用いた高レート誤り訂正方式を提案し、SRAM-PUFに対して適用する。逐次キャンセレーションとリストデコードを組み合わせ、ハッシュベースの検証を実施することで、15%のクロスオーバー確率下で1024ビットのPUFビットと896ビットのヘルパー・データを用いて、10⁻⁹未満の失敗確率で128ビットの鍵生成を実現する。さらに、適応的リストデコーダーにより、必要に応じてのみリストサイズを動的に増加させることで、効率を向上させる。

ABSTRACT

Physical unclonable functions (PUFs) can be used to generate cryptographic keys by making use of the intrinsic randomness resulting from manufacturing variations. Error correction codes (ECCs) help to make SRAM-PUFs, which are always effected by noise and environmental changes, suitable for security applications. In this paper, we propose practical error correction schemes for PUF-based secret generation that are based on polar codes. The proposed scheme could generate a 128-bit key using 1024 PUF bits and $896$ helper data bits and achieve a failure probability of 10^{-9} or lower for a practical SRAM-PUFs setting with cross-over probability of 15%. The method is based on successive cancellation in combination with list decoding and hash-based checking, making use of the hash that is already available at the decoder. In addition, an adaptive list decoder for polar codes is investigated. This decoder increases the list size only if needed.

研究の動機と目的

• ノイズや環境変動による高誤り率が生じるSRAM-PUFの課題に対処すること。
• 実用的なSRAM-PUFベースの鍵生成に適した効率的で高レートの誤り訂正方式を設計すること。
• 失敗確率を10⁻⁹に極めて低く保ちながら、ヘルパー・データのオーバーヘッドを最小限に抑えること。
• デコーダーで既存のハッシュ関数を再利用することで、追加のストレージを要せず、検証効率を向上させること。
• 必要に応じてのみ性能を向上させる適応的リストデコード機構を開発すること。

提案手法

• 本方式は、SRAM-PUFのビットストリング再構築のための核心的誤り訂正メカニズムとして極性符号を採用する。
• 逐次キャンセレーションデコードとリストデコードを組み合わせることで、誤り訂正性能を向上させる。
• デコーダーでハッシュベースの検証メカニズムを採用し、システムに既に存在するハッシュ関数を活用して、デコード出力の妥当性を検証する。
• 適応的リストデコーダーは、初期デコードに失敗した場合にのみリストサイズを増加させることで、計算コストを最適化する。
• 本システムは、1024ビットのPUFビットと896ビットのヘルパー・データから128ビットの暗号鍵を生成することを目的として設計されている。
• 本手法は、15%のクロスオーバー確率を想定した現実的なSRAM-PUF環境下で評価されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極性符号は、SRAM-PUFベースの鍵生成における高レート誤り訂正に効果的に適用可能か？
• RQ2 ヘルパー・データのオーバーヘッドを最小限に抑えながら、失敗確率を10⁻⁹以下に低減できるか？
• RQ3 既存のハッシュ関数をデコーダーで再利用することで、追加のストレージを要せず、検証効率を向上させられるか？
• RQ4 極性符号ベースのSRAM-PUFシステムにおいて、リストデコードと適応的リストサイズ制御を組み合わせた場合の性能向上はどの程度か？
• RQ5 従来のECCアプローチと比較して、本方式は効率性および信頼性において優れているか？

主な発見

• 提案方式は、現実的なSRAM-PUF環境下で15%のクロスオーバー確率下でも、失敗確率が10⁻⁹未満に抑えることが確認された。
• 1024ビットのPUFビットと896ビットのヘルパー・データのみを用いて、128ビットの鍵が正常に生成された。これは、高いコードレート効率を示している。
• ハッシュベースの検証統合により、追加のストレージや計算を要せず、出力の信頼性を確保できる。
• 適応的リストデコーダーは、必要な場合にのみリストサイズを増加させることで、不要なデコード複雑性を低減した。
• 逐次キャンセレーション、リストデコード、およびハッシュ検証の組み合わせにより、従来手法に比べて著しく誤り訂正性能が向上した。
• 極めて低い失敗率、最小限のヘルパー・データ、効率的なデコード処理を備えているため、実世界への展開に実用的である。