DE102012204708A1 - Device and method for authenticating an object - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Authentifizierung eines Objekts (10), bei welcher das Objekt (10) zusammen mit wenigstens einem Sensor (20) in einer geschlossene Ummantelung (12) eingebettet ist, welche eine Mehrzahl von stochastisch verteilten Partikeln (14) umfasst, deren örtliche Verteilung zumindest bei Vorliegen einer äußeren Anregung einen mittels des wenigstens einen Sensors (20) messbaren physikalischen Parameter beeinflusst, wobei die Partikel (14) magnetisch und/oder magnetisierbar sind.The invention relates to a device for authenticating an object (10), in which the object (10) is embedded together with at least one sensor (20) in a closed casing (12) which comprises a plurality of stochastically distributed particles (14). their local distribution, at least in the presence of an external excitation, influences a physical parameter measurable by means of the at least one sensor (20), the particles (14) being magnetic and / or magnetizable.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Authentifizierung eines Objekts nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Authentifizierung eines Objekts nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7. The invention relates to a device for authenticating an object according to the preamble of patent claim 1 and to a method for authenticating an object according to the preamble of patent claim 7.
Aus dem Gebiet der Kryptographie sind sogenannten physikalisch unklonbare Funktionen (physical unclonable functions PUF) bekannt. Alternativ werden auch die Bezeichnungen „physical random functions“ und „physical one-way functions“ weitestgehend synonym verwendet. Eine Beschreibung solcher Funktionen ist beispielsweise in
Es handelt sich hierbei um mathematische Funktionen, die aus dem Verhalten eines komplexen physikalischen Systems abgeleitet sind. Ziel hierbei ist es, ein solches System bereitzustellen, dessen Verhalten von Faktoren bestimmt wird, die weder vom Hersteller, noch von einem Angreifer direkt beobachtbar, beeinflussbar oder reproduzierbar sind. Das System wirkt als Übertragungsfunktion, die Eingangswerte („challenges“) auf Ausgangswerte („responses“) überträgt. Die Art der Abbildung ist dabei für jede physikalische Instanz eines solchen Systems unterschiedlich und für alle praktischen Belange zufällig, für jede einzelne Instanz jedoch stabil. These are mathematical functions derived from the behavior of a complex physical system. The aim of this is to provide such a system, the behavior of which is determined by factors that are neither directly observable, influenceable or reproducible by the manufacturer, nor by an attacker. The system acts as a transfer function that transfers input values ("challenges") to output values ("responses"). The type of mapping is different for each physical instance of such a system and random for all practical purposes, but stable for each instance.
Hierdurch wird zunächst das Problem der sicheren Identifizierung gelöst. Da jede Instanz der PUF unterschiedlich ist, kann jedem Objekt mit einer solchen PUF unmittelbar eine eindeutige Identität zugewiesen werden, ohne dass zusätzliche Schritte, wie das Generieren einer Seriennummer oder dgl. notwendig sind. Neben einfachen Identifizierungsaufgaben können PUFs auch Authentifizierungsprobleme lösen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die PUF eine Vielzahl von möglichen Zuständen aufweist, die durch äußere Anregung hervorgerufen werden können. Mit anderen Worten existiert in einem solchen Fall eine Vielzahl von challenge-response-Paaren (CRPs). Ist die Anzahl von challenge-response-Paaren so groß, dass es für einen Angreifer nicht praktikabel ist, einen signifikanten Anteil davon in Erfahrung zu bringen, so spricht man von einer starken PUF, die für Authentifizierungsaufgaben geeignet ist. This first solves the problem of secure identification. Since each instance of the PUF is different, any object with such a PUF can be immediately assigned a unique identity without the need for additional steps such as generating a serial number or the like. In addition to simple identification tasks, PUFs can also solve authentication problems. This is especially the case when the PUF has a multitude of possible states that can be caused by external excitation. In other words, in such a case, there are a plurality of challenge-response pairs (CRPs). If the number of challenge-response pairs is so large that it is impractical for an attacker to find out a significant proportion of them, this is called a strong PUF suitable for authentication tasks.
Zur Authentifizierung wählt die authentifizierende Partei eine mögliche challenge aus einer vorher gespeicherten Liste von CRPs. Stimmt die Antwort der PUF mit der gespeicherten response überein, so ist das Objekt echt. Eine konkrete Implementierung eines solchen Authentifizierungsverfahrens auf Grundlage einer starken PUF ist aus der
PUFs mit wenigen CRPs sind lediglich zur Identifizierung geeignet und werden als schwache PUFs bezeichnet. Sollen solche Systeme dennoch für Authentifizierungszwecke verwendet werden, so müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise können die Ausgangswerte der PUF im Objekt geheimgehalten und nicht nach außen übermittelt werden. PUFs with few CRPs are for identification only and are called weak PUFs. If such systems are still to be used for authentication purposes, additional measures must be taken. For example, the output values of the PUF can be kept secret in the object and not transmitted to the outside.
Anstelle einer direkten Übermittlung der response wird dann im Objekt auf Grundlage der Response ein öffentlich/privates Schlüsselpaar für ein asymmetrisches Kryptoverfahren erzeugt, auf dessen Grundlage dann die Authentifizierung erfolgt. Dies ist beispielsweise in der
Um eine sichere Authentifizierung zu gewährleisten, muss zudem sichergestellt werden, dass keine Manipulationen an der konkreten Instanz der PUF, bzw. am geschützten Objekt, durchgeführt werden können. Die
Gleichzeitig wird so ein Manipulationsschutz gewährleistet, da jeder Versuch, das Objekt invasiv zu manipulieren, zu Veränderungen in der Verkapselung und damit in den gemessenen Impedanzen führt, so dass ein manipuliertes Objekt auf vorgegebene challenges nicht mehr die im authentifizierenden Objekt hinterlegten Antworten geben kann. At the same time, tamper protection is ensured, as any attempt to manipulate the object invasively results in changes in the encapsulation and thus in the measured impedances, so that a manipulated object can no longer give the answers stored in the authenticating object to predefined challenges.
Ein Nachteil einer derartigen Implementierung einer PUF liegt darin, dass zur Impedanzmessung die jeweiligen Sensoren sehr nah an den dielektrischen bzw. leitfähigen Partikeln angeordnet werden müssen. Um einen zuverlässigen Manipulationsschutz zu gewährleisten, muss das zu schützende Objekt innerhalb der Verkapselung daher im Wesentlichen allseitig mit Elektroden umgeben werden. Dies ist aufwändig und verursacht hohe Herstellungskosten und ist zudem nicht für alle Anwendungen geeignet. A disadvantage of such an implementation of a PUF is that for the impedance measurement, the respective sensors must be arranged very close to the dielectric or conductive particles. To ensure reliable protection against manipulation, therefore, the object to be protected within the encapsulation must be substantially surrounded on all sides with electrodes. This is complicated and causes high production costs and is also not suitable for all applications.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7 bereitzustellen, welche eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Implementierung einer PUF erlauben. The present invention thus has for its object to provide a device according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 7, which allow a simple, reliable and cost-effective implementation of a PUF.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. This object is achieved by a device having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 7.
Bei einer solchen Vorrichtung zur Authentifizierung eines Objekts ist das Objekt zusammen mit wenigstens einem Sensor in einer geschlossene Ummantelung eingebettet, welche eine Mehrzahl von stochastisch verteilten Partikeln umfasst, deren örtliche Verteilung zumindest bei Vorliegen einer äußeren Anregung einen mittels des wenigstens einen Sensors messbaren physikalischen Parameter beeinflusst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Partikel magnetisch und/oder magnetisierbar sind. In such a device for authenticating an object, the object is embedded together with at least one sensor in a closed casing which comprises a plurality of stochastically distributed particles whose spatial distribution influences a physical parameter measurable by means of the at least one sensor, at least in the presence of an external excitation , According to the invention, it is provided that the particles are magnetic and / or magnetizable.
Das durch die stochastische Verteilung der magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikel entstehende Feld wirkt vorliegend in Form einer PUF, deren Ausgangsgröße durch den wenigstens einen miteingegossenen Sensor gemessen werden kann. Manipulationen an der Ummantelung führen zu einer Veränderung der Verteilung der Partikel und damit zu einer Änderung des Magnetfelds, so dass auch die gewünschte Manipulationssicherheit gegeben ist. The field resulting from the stochastic distribution of the magnetic and / or magnetisable particles in the present case acts in the form of a PUF whose output can be measured by the at least one co-injected sensor. Manipulations of the casing lead to a change in the distribution of the particles and thus to a change in the magnetic field, so that the desired manipulation security is given.
Im Gegensatz zu bekannten impedanzbasierten PUFs ist es hierbei nicht notwendig, das Objekt allseitig mit Sensoren zu umgeben, da die Fernwirkung der Magnetpartikel eine zuverlässige Messung der Response bereits mit einem einzigen Sensor erlaubt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher besonders einfach gestaltet und kostengünstig in ihrer Herstellung. In contrast to known impedance-based PUFs, it is not necessary in this case to surround the object on all sides with sensors, since the remote action of the magnetic particles allows a reliable measurement of the response even with a single sensor. The device according to the invention is therefore particularly simple in design and inexpensive to manufacture.
Als Sensoren können zweckmäßigerweise Hall- oder Riesenmagnetwiderstandssensoren Anwendung finden. Gerade Hall-Sensoren, die in CMOS-Technik realisiert werden können, sind besonders einfach in üblicherweise bereits vorhandene Chips des Objekts integrierbar und daher konstruktiv besonders einfach. CMOS-basierte Hall-Sensoren in sogenannter spinningcurrent-Technologie können dabei Auflösungen und Offsets im Bereich weniger Mikrotesla erreichen. Wird eine höhere Empfindlichkeit gewünscht, können die aufwändigeren Riesenmagnetwiderstandssensoren Anwendung finden. Hall sensors or giant magnetoresistance sensors may be used as sensors. Especially Hall sensors, which can be realized in CMOS technology, are particularly easy to integrate into usually existing chips of the object and therefore structurally particularly simple. CMOS-based Hall sensors in so-called spinningcurrent technology can achieve resolutions and offsets in the range of less microtesla. If a higher sensitivity is desired, the more expensive giant magnetoresistor sensors can be used.
Besitzen die Partikel eine unveränderliche Magnetisierung, so handelt es sich um eine schwache PUF, da das System lediglich eine einzige Response besitzt. Um eine sichere Authentifizierung zu erreichen, ist es daher zweckmäßig, Partikel mit veränderlicher Magnetisierung einzusetzen. Insbesondere die Verwendung von nichtlinear magnetisierbaren Partikeln ist von Vorteil, da so ein komplexes System mit unvorhersagbarem Challenge-Response-Zusammenhang geschaffen werden kann. Hierfür können beispielsweise ferromagnetische Partikel oder Partikel mit anisotropem Magnetisierungsverhalten mit einer Vorzugsrichtung, wie thermisch geblockte Partikel, Anwendung finden. Trotz der fixierten stochastischen Anordnung der Partikel in der Ummantelung kann durch Anlegen externer Felder, die die Magnetisierung der Partikel beeinflussen, eine Vielzahl von eindeutigen Challenge-Response-Paaren (CRPs) geschaffen werden. Das System wird damit zur starken PUF, die sich für die sichere Authentifizierung eignet. If the particles have unchangeable magnetization, then it is a weak PUF because the system has only a single response. To achieve a secure authentication, it is therefore appropriate to use particles with variable magnetization. In particular, the use of nonlinear magnetizable particles is advantageous, since such a complex system with unpredictable challenge-response relationship can be created. For this example, ferromagnetic particles or particles with anisotropic magnetization behavior with a preferred direction, such as thermally blocked particles, find application. Despite the fixed stochastic arrangement of the particles in the cladding, a variety of unique challenge-response pairs (CRPs) can be created by applying external fields that affect the magnetization of the particles. The system thus becomes the strong PUF suitable for secure authentication.
Die äußere Anregung kann durch ein vorgegebenes Feld erfolgen, welches statisch sein kann oder sich in vorgegebener Weise räumlich und zeitlich ändern kann. Jede spezifische Feldkonfiguration entspricht dabei einer Challenge, die eine definierte Response in der PUF hervorruft. Zur Erzeugung des Anregungsfeldes finden zweckmäßigerweise Spulen Anwendung, die im Objekt selbst oder aber außerhalb von diesem angeordnet sein können. The external excitation can be done by a predetermined field, which can be static or can change spatially and temporally in a predetermined manner. Each specific field configuration corresponds to a challenge, which causes a defined response in the PUF. To generate the excitation field suitably find coils application that can be located in the object itself or outside of this.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Authentifizieren eines Objekts, bei welchem mittels wenigstens eines zusammen mit dem Objekt in eine geschlossene Ummantelung eingebetteten Sensors ein physikalischer Parameter gemessen wird, welcher von einer Verteilung einer Mehrzahl stochastisch in der Ummantelung eingebetteter Partikel beeinflusst wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der physikalische Parameter ein magnetisches Feld an der Position des wenigstens einen Sensors betrifft. The invention further relates to a method for authenticating an object in which at least one sensor embedded in a closed sheath together with the object measures a physical parameter which is influenced by a distribution of a plurality of stochastically embedded particles in the sheath. According to the invention, it is provided that the physical parameter relates to a magnetic field at the position of the at least one sensor.
Wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, wird so eine Implementierung einer PUF geschaffen, die auf einfachste Weise eine sichere und kostengünstige Authentifizierung ermöglicht. Die Verwendung magnetischer Eigenschaften für die physikalische Implementierung der PUF erlaubt die Messung mit minimal einem einzigen Sensor, so dass das zu schützende Objekt nicht allseitig mit Sensoren umgeben werden muss. As already explained with reference to the device according to the invention, an implementation of a PUF is thus created which in the simplest way enables secure and cost-effective authentication. The use of magnetic properties for the physical implementation of the PUF allows the measurement with a minimum of a single sensor, so that the object to be protected does not need to be surrounded on all sides with sensors.
Auf Grundlage des mittels des wenigstens einen Sensors gemessenen Parameters kann in der Folge ein eindeutiger Identifizierungscode für das Objekt erzeugt werden. Im einfachsten Fall ist dieser Identifizierungscode der Messwert des Sensors selbst, der durch geeignete Wahl der Quantifizierung und Digitalisierung auf die gewünschte Komplexität gebracht werden kann. On the basis of the parameter measured by means of the at least one sensor, a unique identification code for the object can subsequently be generated. In the simplest case, this identification code is the measurement value of the sensor itself, which can be brought to the desired complexity by a suitable choice of quantification and digitization.
Zur Identifizierung und/oder Authentifizierung des Objekts wird der eindeutige Identifizierungscode an eine außerhalb der Ummantelung angeordnete Vorrichtung übermittelt und mit einer dort hinterlegten Datenbank von Identifizierungscodes verglichen. Je nach Stärke der verwendeten PUF kann das Objekt damit eindeutig identifiziert bzw. authentifiziert werden. For identification and / or authentication of the object, the unique identification code is transmitted to a device arranged outside the casing and compared with a database of identification codes stored there. Depending on the strength of the PUF used, the object can thus be clearly identified or authenticated.
Um eine starke PUF zu realisieren, ist es dabei zweckmäßig, vor und/oder während der Messung des physikalischen Parameters eine magnetische Eigenschaft der Partikel durch Anlegen eines vorgegebenen elektromagnetischen Feldes zu beeinflussen. Das angelegte Feld stellt dabei, wie bereits erläutert, die Challenge für die PUF da, während der resultierende Messwert des wenigstens einen Sensors die Response repräsentiert. In order to realize a strong PUF, it is expedient to influence a magnetic property of the particles by applying a predetermined electromagnetic field before and / or during the measurement of the physical parameter. As already explained, the applied field represents the challenge for the PUF, while the resulting measured value of the at least one sensor represents the response.
Da das angelegte Feld sowohl räumlich als auch zeitlich beliebig gewählt werden kann, ist es somit möglich, eine hohe Anzahl verschiedener CRPs zu realisieren, welche von einem externen Angreifer nicht in ihrer Gesamtheit beobachtet bzw. ausgelesen werden können. Damit ist eine sichere Authentifizierung gewährleistet. Since the applied field can be arbitrarily selected spatially as well as temporally, it is thus possible to realize a large number of different CRPs which can not be observed or read by an external attacker in their entirety. This ensures secure authentication.
Zu jedem vorgegebenen elektromagnetischen Feld ist dabei zweckmäßigerweise ein dem Objekt zugeordneter eindeutiger Identifizierungscode in der Datenbank hinterlegt, so dass ein CRP durch einfachen Vergleich mit der Datenbank auf Korrektheit geprüft werden kann. For each predetermined electromagnetic field, a unique identification code assigned to the object is expediently stored in the database, so that a CRP can be checked for correctness by simple comparison with the database.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Um ein Objekt
Das Objekt
Die stochastisch verteilten Partikel
Um die Identifizierung und/oder Authentifizierung des Objekts
Aufgrund des komplexen, von den zufällig verteilten Partikeln
Wird eine Manipulation an der Verkapselung
Die in
Um dies zu vermeiden, kann auf Grundlage der Messwerte der Sensoren
Um eine sichere Authentifizierung zu ermöglichen, werden Partikel
In diesem Fall ist die Vorrichtung als starke PUF ausgebildet. Ein Mithören der Kommunikation zwischen dem Objekt
Zur Erzeugung des externen Feldes sind Spulen
Mit der beschriebenen Vorrichtung wird eine konstruktiv einfache, kostengünstige und manipulationssichere Möglichkeit zur Identifikation und Authentifizierung von Objekten
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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