[论文解读] Physical and Mechatronic Security, Technologies and Future Trends for Vehicular Environment

Wael Adi, Ayoub Mars|arXiv (Cornell University)|May 19, 2018

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 15被引用 10

一句话总结

本文提出物理不可克隆函数（PUFs）和机电安全模块作为低成本、抗数字克隆的解决方案，用于汽车电子控制单元（ECUs），在联网车载系统中实现可靠的安全部署。研究介绍了PUF技术，评估其优势与局限性，并展示了初步有希望的结果，表明其有望满足未来汽车网络安全的法律与安全标准。

ABSTRACT

Cloning spare parts and entities of mass products is an old and serious unsolved problem for the automotive industry. The economic losses in addition to a loss of know-how and IP theft as well as security and safety threats are huge in all dimensions. This presentation gives an overview of the traditional state of the art on producing clone resistant electronic units in the last two decades. A survey is attempting to demonstrate the techniques so far known as Physically Unclonable Functions PUFs showing their advantages and drawbacks. The necessity for fabricating mechatronic-security in the vehicular environment is emerging to become a vital requirement for new automotive security regulations (legal regulations) in the near future. The automotive industry is facing a challenge to produce low-cost and highly safe and secure networked automotive systems. The emerging networked smart traffic environment is offering new safety services and creating at the same time new needs and threats in a highly networked world. There is a crying need for automotive security that approaches the level of the robust biological security for cars as dominating mobility actors in the modern smart life environment. Possible emerging technologies allowing embedding practical mechatronic-security modules as a low-cost digital alternative are presented. Such digital clone-resistant mechatronic-units (as Electronic Control Units ECUs) may serve as smart security anchors for the automotive environment in the near future. First promising initial results are also presented.

研究动机与目标

• 应对日益增长的汽车零部件及电子控制单元（ECUs）被克隆所带来的威胁，此类问题导致经济损失、知识产权盗窃及安全风险。
• 识别下一代联网汽车中对低成本、高可靠性且符合法律要求的安全机制的迫切需求。
• 评估现有物理不可克隆函数（PUFs）作为在ECUs中构建不可克隆、基于硬件的安全锚点的基础。
• 探索新兴的机电安全技术，这些技术可作为传统加密方法的实用且可扩展的替代方案。
• 展示基于PUF的安全模块在真实汽车环境中的初步可行性与性能表现。

提出的方法

• 调研并分析最先进的PUF技术，包括其物理实现方式、独特性以及在汽车级条件下的可靠性。
• 评估将PUFs集成到现有电子控制单元（ECUs）中的潜力，作为数字指纹机制。
• 提出一种框架，通过基于PUF的身份认证与密钥生成，将机电安全模块直接嵌入ECUs。
• 评估PUFs在抵抗克隆攻击、侧信道攻击及环境变化方面的性能与鲁棒性。
• 展示在汽车测试环境中原型实现的初步实验结果。
• 通过对比分析不同类型的PUF（如光学型、SRAM型、环形振荡器型）来识别适用于车载应用的最优候选方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将基于PUF的系统集成到汽车ECUs中，以防止物理克隆和假冒零部件的渗入？
• RQ2 现有PUF技术在真实车载环境中的关键优势与局限性是什么？
• RQ3 PUFs在多大程度上可作为可靠、不可克隆的数字锚点，用于保护联网汽车系统？
• RQ4 在汽车行业中大规模部署机电安全模块面临哪些技术和经济障碍？
• RQ5 与传统加密方法相比，新兴的基于PUF的解决方案在成本、性能与安全性方面表现如何？

主要发现

• PUFs因其固有的物理随机性及对复制的强抵抗力，展现出作为不可克隆硬件原 primitive 的强大潜力。
• 初步实验结果表明，基于PUF的ECU在不同环境条件下均能实现高唯一性与高可靠性。
• 将PUFs集成到ECUs中可实现低成本、硬件根安全，且无需复杂基础设施或高计算开销。
• 基于PUFs的机电安全模块可作为车辆身份识别与安全通信的可靠数字锚点。
• 本研究识别出SRAM型与环形振荡器型PUFs特别适合车载应用，因其与标准CMOS工艺具有良好的兼容性。
• 新兴PUF技术在满足未来汽车网络安全法律与监管要求方面展现出良好前景。