[论文解读] Modeling Attack Resilient Reconfigurable Latent Obfuscation Technique for PUF based Lightweight Authentication

Yansong Gao, Said F. Al-Sarawi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 24被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于基于PUF的轻量级认证的可重构潜在混淆技术，称为OB-PUF，通过动态重新配置充当一次性密码本的隐藏模式向量，增强了对强大CMA-ES建模攻击的抵抗力。该方法同时混淆了挑战与响应之间的关系，实现了无限制的认证轮次而不会损害安全性，并通过广泛评估展示了对最先进建模攻击的强大抗性。

ABSTRACT

Physical unclonable functions (PUFs), as hardware security primitives, exploit manufacturing randomness to extract hardware instance-specific secrets. One of most popular structures is time-delay based Arbiter PUF attributing to large number of challenge response pairs (CRPs) yielded and its compact realization. However, modeling building attacks threaten most variants of APUFs that are usually employed for strong PUF-oriented application---lightweight authentication---without reliance on the securely stored digital secrets based standard cryptographic protocols. In this paper, we investigate a reconfigurable latent obfuscation technique endowed PUF construction, coined as OB-PUF, to maintain the security of elementary PUF CRPs enabled authentication where a CRP is never used more than once. The obfuscation---determined by said random patterns---conceals and distorts the relationship between challenge-response pairs capable of thwarting a model building adversary needing to know the exact relationship between challenges and responses. A bit further, the obfuscation is hidden and reconfigured on demand, in other words, the patterns are not only invisible but also act as one-time pads that are only employed once per authentication around and then discarded. As a consequence, the OB-PUF demonstrates significant resistance to the recent revealed powerful Evaluation Strategy (ES) based modeling attacks where the direct relationship between challenge and response is even not a must. The OB-PUF's uniqueness and reliability metrics are also systematically studied followed by formal authentication capability evaluations.

研究动机与目标

• 为解决传统PUF在轻量级认证系统中对高级建模攻击（尤其是CMA-ES）的脆弱性。
• 消除先前工作（如[12]）中为防止建模而必须限制认证轮次的需求，同时保持强安全性。
• 设计一种PUF结构，通过动态的一次性混淆模式隐藏真实的挑战-响应关系。
• 评估OB-PUF对最强大已知建模攻击（包括基于汉明权重和响应可靠性的攻击）的抗性。

提出的方法

• OB-PUF使用随机生成的模式向量对挑战和响应进行混淆，隐藏它们之间的真实关系。
• 混淆模式在每次认证会话中重新配置，并作为一次性密码本，确保永不重复使用。
• 挑战混淆通过将输入挑战与选定的模式向量进行异或操作实现，而响应混淆则通过平衡汉明权重来抵抗基于适应度的攻击。
• 通过服务器辅助的认证协议，可信服务器可利用对当前混淆模式的了解来验证响应，而设备在使用后丢弃该模式。
• 系统使用一个可重构模块，通过模式向量从多个APUF实例中选择，增加建模攻击者构建模型的复杂度。
• 该方法在各种配置下通过CMA-ES攻击进行了形式化评估，安全性通过汉明权重和基于可靠性的适应度函数进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于PUF的认证系统是否能在不限制认证轮次数的情况下，对CMA-ES建模攻击保持强安全性？
• RQ2 响应混淆在消除基于汉明权重的适应度函数攻击方面有多有效？
• RQ3 混淆模式的动态重新配置是否能防止攻击者通过重复观察学习到底层的挑战-响应映射？
• RQ4 在模式向量模块中增加APUF数量对建模攻击者成功率的影响是什么？
• RQ5 OB-PUF在相同条件下的可靠性和唯一性与标准APUF相比如何？

主要发现

• 由于隐藏且可重新配置的混淆模式，OB-PUF即使在不直接暴露挑战-响应关系的情况下，也能对CMA-ES攻击表现出显著的抵抗力。
• 混淆响应的汉明权重得到平衡，有效消除了基于汉明权重的适应度函数攻击的可能性。
• 响应混淆阻止了基于可靠性的CMA-ES攻击，因为攻击者在不知道完整挑战特征的情况下无法确定正确响应的可靠性。
• 该系统支持无限制的认证轮次，而先前的工作则需通过速率限制来防止模型构建。
• 增加XOR模块中APUF的数量（例如，p=4，m=18）会指数级降低攻击者正确预测所有模式向量的能力。
• 形式化评估确认，OB-PUF保持了高唯一性和高可靠性，在认证场景中具有低误接受率和低误拒绝率。