[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一类基于基尔霍夫定律约翰逊噪声（KLJN）密钥交换和基于噪声的逻辑（NBL）的新型物理不可克隆功能（PUF）硬件密钥，实现不可克隆、可动态更新的加密密钥。它引入了一种“超强度”PUF，通过KLJN实现实时密钥更新，并利用NBL保护的一次性密码本机制实现挑战/响应，从而实现无条件安全，同时采用抗篡改的非易失性存储来保存初始密钥。

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.

研究动机与目标

• 通过提出一种物理不可克隆的密钥系统，解决传统PUF因制造商克隆而产生的漏洞问题。
• 利用基尔霍夫定律约翰逊噪声（KLJN）协议，实现密钥交换和存储的无条件安全。
• 在每次使用过程中实现动态密钥更新，确保新鲜随机性并防止重放攻击。
• 集成抗篡改、零功耗的非易失性存储，用于安全密钥存储。
• 探索从超强度到简单版本的PUF设计层次，基于不同物理不可克隆程度和实现复杂度。

提出的方法

• 系统在每次密钥使用过程中利用KLJN协议执行无条件安全的密钥交换，确保密钥通过新鲜随机性实现更新。
• 使用闪存存储一次性密码本保护的密钥，以提供非易失性、零功耗存储。
• 采用基于噪声的逻辑（NBL）实现挑战/响应协议中的超空间向量串验证，确保对侧信道攻击和克隆攻击的鲁棒性。
• 超强度PUF设计结合KLJN的密钥更新与NBL的验证机制，即使制造商也无法克隆。
• 简化版本省略KLJN，仅依赖NBL实现挑战/响应，使制造商可克隆，但外部实体无法克隆。
• 该架构利用电阻器中的固有热噪声生成不可克隆、不可预测的物理特性，用于密钥生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种PUF，使得即使制造商也无法克隆密钥，从而确保真正的物理不可克隆性？
• RQ2 能否利用电阻器中的热噪声实现无条件安全的密钥交换，从而实现动态密钥更新？
• RQ3 能否使用基于噪声的逻辑（NBL）安全地验证PUF系统中的挑战/响应交互？
• RQ4 如何将抗篡改、非易失性、零功耗的密钥存储集成到PUF架构中？
• RQ5 基于KLJN和NBL的PUF设计中，安全强度与实现复杂度之间的权衡是什么？

主要发现

• 所提出的超强度PUF通过KLJN密钥交换实现无条件安全，确保每次使用时密钥均通过新鲜随机性更新。
• 由于基于热噪声的密钥生成具有物理不可克隆性，且挑战/响应受到一次性密码本保护，因此可防止制造商克隆。
• NBL的使用实现了安全的、抗侧信道的挑战/响应验证，增强了对物理攻击的抗性。
• 通过集成闪存实现密钥存储，确保了非易失性、抗篡改性以及零功耗待机运行。
• 本文展示了从超强度（KLJN + NBL）到简单版本（仅NBL）的PUF层次结构，提供了可扩展的安全性与实现复杂度之间的权衡。
• 在KLJN协议和一次性密码本的假设下，该解决方案在理论上不可破解，提供信息论安全性。