[論文レビュー] Physical uncloneable function hardware keys utilizing Kirchhoff-law-Johnson-noise secure key exchange and noise-based logic

László B. Kish, Chiman Kwan|viXra|May 12, 2013

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、キルホフ則ジョンソンノイズ（KLJN）鍵交換とノイズベース論理（NBL）に基づく、物理的に複製不能で動的に更新可能な暗号鍵を実現する、物理的未複製関数（PUF）ハードウェアキーの新規クラスを提案する。本研究では、KLJNによるリアルタイムでの鍵更新と、NBLによるワンタイムパッド保護型チャレンジ/レスポンスを組み合わせることで、無条件の安全性を達成する「超強力な」PUFを提案し、初期鍵の耐改ざん性を持つ不揮発性記憶装置を備える。

ABSTRACT

Weak physical uncloneable function (WPUF) encryption key means that the manufacturer of the hardware can clone the key but anybody else is unable to so that. Strong physical uncloneable function (SPUF) encryption key means that even the manufacturer of the hardware is unable to clone the key. In this paper, first we introduce a "ultra"-strong PUF with intrinsic dynamical randomness, which is not only not cloneable but it also gets renewed to an independent key (with fresh randomness) during each use via the unconditionally secure key exchange. The solution utilizes the Kirchhoff-law-Johnson-noise (KLJN) method for dynamical key renewal and a one-time-pad secure key for the challenge/response process. The secure key is stored in a flash memory on the chip to provide tamper-resistance and non-volatile storage with zero power requirements in standby mode. Simplified PUF keys are shown: a strong PUF utilizing KLJN protocol during the first run and noise-based logic (NBL) hyperspace vector string verification method for the challenge/response during the rest of its life or until it is re-initialized. Finally, the simplest PUF utilizes NBL without KLJN thus it can be cloned by the manufacturer but not by anybody else.

研究の動機と目的

• 製造業者が従来のPUFを複製する脆弱性に対処するため、物理的に複製不能な鍵システムを提案すること。
• キルホフ則ジョンソンノイズ（KLJN）プロトコルを用いて、鍵交換と保存における無条件の安全性を達成すること。
• 各使用時に動的鍵更新を可能にし、新規の乱数を確保することで再生攻撃を防止すること。
• 改ざん耐性があり、ゼロ電力の不揮発性メモリを用いて、安全な鍵保存を実現すること。
• 物理的未複製性の度合いと実装の複雑さの違いに基づき、超強力型から単純型までのPUF設計の階層を検討すること。

提案手法

• システムは、各鍵使用時に無条件に安全な鍵交換をKLJNプロトコルで実行し、新規の乱数を用いた鍵の更新を保証する。
• ワンタイムパッド保護型の鍵をフラッシュメモリに格納することで、チャレンジ/レスポンスフェーズのセキュリティを確保し、不揮発的かつゼロ電力の保存を実現する。
• チャレンジ/レスポンスプロトコルにおけるハイパースペースベクターストリングの検証に、ノイズベース論理（NBL）を用いることで、サイドチャネル攻撃や複製攻撃に対する耐性を高める。
• 超強力なPUF設計は、KLJNベースの鍵更新とNBLベースの検証を統合しており、製造業者ですら複製が不可能である。
• 簡素化されたバージョンはKLJNを省き、チャレンジ/レスポンスにNBLのみに依存するため、製造業者には複製可能だが、外部の第三者には不可能である。
• 抵抗素子の内在的熱雑音を活用して、物理的に複製不能で予測不能な特性を生成し、鍵生成に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 製造業者ですら鍵を複製できないようなPUFを構築可能か？　物理的未複製性を真に実現できるか？
• RQ2 抵抗素子の熱雑音を用いて無条件に安全な鍵交換を達成でき、動的鍵更新を可能にするか？
• RQ3 ノイズベース論理（NBL）を用いて、PUFシステムにおけるチャレンジ/レスポンスの相互作用を安全に検証可能か？
• RQ4 改ざん耐性があり、不揮発的かつゼロ電力の鍵保存をPUFアーキテクチャに統合可能か？
• RQ5 KLJNとNBLに基づくPUF設計において、セキュリティ強度と実装の複雑さのトレードオフは何か？

主な発見

• 提案された超強力なPUFは、KLJNベースの鍵交換により、無条件の安全性を達成しており、各使用時に新規の乱数を用いた鍵の更新が保証される。
• 熱雑音に基づく鍵生成の物理的未複製性と、チャレンジ/レスポンスのワンタイムパッド保護により、製造業者による複製が不可能になる。
• NBLの使用により、チャレンジ/レスポンスの検証が安全かつサイドチャネル攻撃に耐性があり、物理的攻撃に対する耐性が向上する。
• フラッシュメモリを用いた鍵保存の統合により、不揮発的かつ改ざん耐性があり、ゼロ電力での待機運用が可能になる。
• 本論文では、超強力型（KLJN + NBL）から単純型（NBLのみ）までのPUFの階層を実証し、スケーラブルなセキュリティと実装のトレードオフを提供する。
• KLJNプロトコルとワンタイムパッドの仮定のもと、理論的に破られないソリューションが提供され、情報理論的セキュリティを実現する。