[论文解读] Ring Oscillator and its application as Physical Unclonable Function (PUF) for Password Management

Alireza Shamsoshoara|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2019

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 5被引用 7

一句话总结

本文提出了一种低成本、基于硬件的密码管理方案，利用环形振荡器作为物理不可克隆函数（PUF），为用户身份认证生成唯一且不可预测的挑战。通过利用在Raspberry Pi上实现的环形振荡器的频率差异，该系统提取设备特有的指纹，而无需存储秘密信息，实现了安全的密钥派生，并减少了对非易失性存储器的依赖。该方法展示了可靠的频率测量性能，并成功与基于MATLAB的密码管理器集成，证明了其在嵌入式认证系统中的可行性。

ABSTRACT

Mobile and embedded devices are becoming inevitable parts of our daily routine. Similar to other electronic devices such as read access memory (RAM) and storage, mobile devices require to authenticate and to be authenticated in a secure way. Usually, this can be accomplished by servers which possess private information for all devices. Since these devices are inherently mobile and operating in untrusted environments, they are prone to be accessed by untrustworthy users. Physical unclonable function (PUF) is a unique physical feature of a semiconductor device such as a microprocessor that can be generated from physical conditions such as supply voltage, temperature, etc. Ring oscillators are the principal parts of PUFs that are synthesized on a field-programmable gate array (FPGA) or an application-specific integrated circuit (ASIC). Password manager systems are used in order to keep a database of usernames and password for clients in order for registration and authentication. This table plays a crucial role in authentication in many systems. Hence, security is one of the important features of these systems. Normally, in these tables only usernames and passwords are stored; however, they are vulnerable to many attacks. So, the first method of enhancing the security is using the hash instead of the original data, but, advanced hackers can break these hash data again. Hence, the method that we are going to use in this project is utilizing PUF to store the challenge of each user instead of saving the hash of passwords.

研究动机与目标

• 为解决传统密码存储方式在使用EEPROM或SRAM等非易失性存储器时存在的安全性和成本限制。
• 开发一种低成本、无需电池、安全的方案，利用半导体器件中的物理差异生成唯一的设备专用密钥。
• 在Raspberry Pi上使用环形振荡器实现实用的基于PUF的密码管理方案，支持实时挑战-响应认证。
• 验证从环形振荡器中测量频率的可靠性和准确性，以适用于PUF应用。
• 展示将PUF与基于TCP/IP通信和MATLAB图形界面的密码管理器系统集成的可行性。

提出的方法

• 使用CMOS技术在晶体管级别设计了一个由三个非门和一个与非门组成的环形振荡器，以利用工艺差异。
• 通过公式 $ f(Hz) = \frac{1}{1.38 \cdot R \cdot C \cdot n} $ 计算环形振荡器的频率，其中 $ n $ 为反相器数量，$ R $、$ C $ 为每级的电阻和电容值。
• 使用Raspberry Pi的GPIO引脚通过中断驱动的边沿检测和0.5秒内的脉冲计数来执行频率测量，以计算振荡频率。
• 使用逻辑分析仪作为验证工具，交叉核对Raspberry Pi的频率测量结果，确认其在可接受范围内的准确性。
• 挑战-响应机制通过用户ID和密码哈希的异或运算确定16×16表格结构中的单元位置，PUF生成的频率作为挑战值。
• 通过TCP/IP套接字在计算机（主机）与Raspberry Pi（客户端）之间建立通信，实现注册和认证过程中的安全数据交换。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于环形振荡器的PUF能否在不将秘密存储于非易失性存储器的情况下，可靠地生成唯一且不可预测的挑战值？
• RQ2 Raspberry Pi在真实条件下对环形振荡器频率的测量精度如何？该测量结果是否可信赖于PUF应用？
• RQ3 环境变化在实际实现中对PUF响应的稳定性和可重复性有多大影响？
• RQ4 如何将基于PUF的系统有效集成到密码管理框架中，以替代传统的基于哈希的存储方式？
• RQ5 在低成本、开源平台如Raspberry Pi上部署基于PUF的认证方案，其可行性与鲁棒性如何？

主要发现

• 环形振荡器在八条线路中成功生成了可测量的频率输出，Raspberry Pi测得的频率值为（136, 46, 26, 14, 204, 66, 394, 56）Hz。
• Raspberry Pi的频率测量结果经低成本逻辑分析仪验证，确认了高度一致，确立了测量的可靠性。
• 系统成功与基于MATLAB的密码管理器集成，支持通过图形界面进行注册、认证和表格显示。
• 采用基于结构的表格而非矩阵结构，避免了空间复杂度问题，并通过追加方式处理冲突，提升了可扩展性。
• 使用PUF生成的频率作为挑战值的挑战-响应机制成功实现了安全认证，测试期间GUI中验证了正确响应。
• 该实现证明了在低成本硬件上的可行性，表明PUF可在无需昂贵组件或非易失性存储器的情况下部署。