WO2013139536A1 - Apparatus and method for authenticating an object - Google Patents

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WO2013139536A1
WO2013139536A1 PCT/EP2013/052916 EP2013052916W WO2013139536A1 WO 2013139536 A1 WO2013139536 A1 WO 2013139536A1 EP 2013052916 W EP2013052916 W EP 2013052916W WO 2013139536 A1 WO2013139536 A1 WO 2013139536A1
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sensor
particles
embedded
authenticating
puf
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PCT/EP2013/052916
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Alexander Frey
Ingo KÜHNE
Andreas Mucha
Meinrad Schienle
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04L9/3271—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials using challenge-response
    • H04L9/3278—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials using challenge-response using physically unclonable functions [PUF]
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    • H04L2209/80—Wireless
    • H04L2209/805—Lightweight hardware, e.g. radio-frequency identification [RFID] or sensor

Definitions

  • 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.
  • the field of cryptography includes so-called physically unclonable functions PUF) known.
  • PUF physically unclonable functions
  • the terms "physical random functions” and “physical one-way functions” are used synonymously as far as possible. A description of such functions is disclosed, for example, in Rhackmair, U. et al., Cryptology ePrint Archive Report 2009/277.
  • PUFs can also solve authentication problems. This is especially the case when the PUF has a variety of possible states which 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.
  • CCPs challenge-response pairs
  • the authenticating party selects a possible challenge from a previously stored list of CRPs. If the response of the PUF matches the stored response, then the object is true.
  • a concrete implementation of such an authentication method based on a strong PUF is known from WO 2003/090259 AI.
  • PUFs with few CRPs are for identification only and are called weak PUFs. If such systems are nevertheless 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.
  • a public / private key pair for an asymmetric crypto procedure is then generated in the object on the basis of the response, on the basis of which the authentication then takes place.
  • This is disclosed, for example, in WO 2006/053304 Al.
  • WO 2008/093273 proposes for this purpose to enclose the object to be protected with an inhomogeneous encapsulation mass.
  • the object comprises a circuit which can perform local measurements of the impedance of the encapsulation by means of suitable electrodes. By randomly distributed dielectric and electrically conductive particles in For the encapsulant, the measured impedances are different for each individual object - thus, it is a PUF.
  • 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.
  • 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.
  • 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 ,
  • the particles are magnetic and / or magnetizable.
  • 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.
  • the device according to the invention is therefore particularly simple in design and inexpensive to manufacture.
  • Hall sensors or giant magnetoresistance sensors may expediently be used as sensors.
  • 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 spinning current technology can achieve resolutions and offsets in the range of a few microtesla. If a higher sensitivity is desired, the more expensive giant magnetoresistance sensors can be used.
  • the particles have unchangeable magnetization, then it is a weak PUF because the system has only a single response.
  • the use of nonlinear magnetizable particles is advantageous, since such a complex system with unpredictable challenge-response relationship can be created.
  • ferromagnetic particles or particles having anisotropic magnetization behavior with a preferred direction, such as thermally blocked particles can be used.
  • CCPs challenge-response pairs
  • the external excitation can be done by a predetermined field, which can be static or can change spatially and temporally in a predetermined manner.
  • 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.
  • the invention further relates to a method for authenticating an object, in which a physical parameter is measured by means of at least one sensor embedded in a closed sheath together with the object, which is influenced by a distribution of a plurality of stochastically embedded particles in the sheath ,
  • the physical parameter relates to a magnetic field at the position of the at least one sensor.
  • 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.
  • a unique identification code for the object can subsequently be generated.
  • 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.
  • 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.
  • the applied field represents the challenge for the PUF
  • the resulting measured value of the at least one sensor represents the response
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary
  • FIG. 4 shows a detailed view of the device according to FIG. 1 with integrated sensors
  • FIG. 5 shows a detailed view of the device according to FIG. 1 with integrated excitation coils
  • FIG. 6 shows a detailed view of the device according to FIG. 1 with external excitation coils.
  • the circuit 10 is cast in an encapsulation 12 which contains a plurality of stochastically distributed magnetizable particles 14.
  • the object 10 can, as shown in FIG. 1, be surrounded on all sides by the encapsulation 12, or, as shown in FIG. 2, be mounted on a carrier 16, so that it is only partially encapsulated.
  • the stochastically distributed particles 14 act as magnetic dipoles, which generate a complex, non-reproducible field due to their random distribution, as shown in FIG. Illustrated in a clear way. For each individual object 10, this results in a unique, non-reproducible field geometry that can be used to identify and authenticate the object 10.
  • the particles 14 randomly distributed in the encapsulant 12 represent the physical implementation of a PUF.
  • magnetic field sensors 20 In order to be able to carry out the identification and / or authentication of the object 10, as shown in FIG. 4, magnetic field sensors 20 together with a CMOS electronics 18 are integrated into the cast-in object 10.
  • the magnetic field sensors 20 may be formed as Hall sensors, which can be carried out even in CMOS technology. In order to achieve a higher sensitivity, the use of giant magnetoresistive sensors is also possible.
  • the configuration shown in FIG. 4 has a static magnetic field and therefore corresponds to a weak PUF. It is therefore possible for an attacker to read and store the transmitted measured values of the sensors 20. Without further measures, this configuration is therefore only suitable for the identification of the object 10, but not for the secure authentication. because it could be forged on the basis of the readings included.
  • a public-private key pair for an asymmetric cryptosystem can be generated based on the measurements of the sensors 20. This can happen within the object 10 with the aid of the electronics 18 ge.
  • particles 14 are used which can be magnetized or, under the influence of an external field, change their magnetization. Examples of these are ferromagnetic particles or thermally blocked particles which have a preferred direction of magnetization.
  • the measured values of the sensors 20 change depending on the distribution of the particles and the structure of the external field. For each given before external field there is a unique combination of measurements of the sensors 20, so that can define specify te challenge-response pairs. These can be stored in the authenticating partner, so that the authenticity of the object 10 can be checked securely.
  • the device is designed as a strong PUF. Monitoring the communication between the object 10 and the authenticating partner is easy, provided that a sufficiently high number of challenge-response pairs exists.
  • coils 22 are provided which can either be encapsulated together with the object 10 or arranged outside the encapsulation 12. Overall, a close spatial proximity of coils 22, sensors 20 and particles 14 is recommended in order to limit the influence of interference fields. With the described device, a structurally simple, cost-effective and tamper-proof possibility for identifying and authenticating objects 10 is created, which can be used for almost any objects 10.

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Abstract

Apparatus and method for authenticating an object. The invention relates to an apparatus for authenticating an object (10), in which the object (10) is embedded, together with at least one sensor (20), in a closed sheath (12) comprising a plurality of stochastically distributed particles (14), the local distribution of which influences a physical parameter which can be measured using the at least one sensor (20) at least when there is external excitation, wherein the particles (14) are magnetic and/or magnetizable. FIG 5

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Authentifizierung eines Objekts 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. 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 Funk- tionen ist beispielsweise in Rührmair, U. et al., Cryptology ePrint Archive Report 2009/277 offenbart. 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. The field of cryptography includes so-called physically unclonable functions PUF) known. Alternatively, the terms "physical random functions" and "physical one-way functions" are used synonymously as far as possible. A description of such functions is disclosed, for example, in Rührmair, U. et al., Cryptology ePrint Archive Report 2009/277.
Es handelt sich hierbei um mathematische Funktionen, die aus dem Verhalten eines komplexen physikalischen Systems abgelei- tet 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. 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. 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. This first solves the problem of secure identification. Since each instance of the PUF is different, each object with such a PUF can be immediately assigned a unique identity without requiring additional steps such as generating a serial number or the like. necessary.
Neben einfachen Identifizierungsaufgaben können PUFs auch Au- thentifizierungsprobleme 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 An- greifer nicht praktikabel ist, einen signifikanten Anteil davon in Erfahrung zu bringen, so spricht man von einer starken PUF, die für Authentifizierungsaufgaben geeignet ist. In addition to simple identification tasks, PUFs can also solve authentication problems. This is especially the case when the PUF has a variety of possible states which 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 ei- ne 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 WO 2003/090259 AI be- kannt. For authentication, the authenticating party selects a possible challenge from a previously stored list of CRPs. If the response of the PUF matches the stored response, then the object is true. A concrete implementation of such an authentication method based on a strong PUF is known from WO 2003/090259 AI.
PUFs mit wenigen CRPs sind lediglich zur Identifizierung geeignet und werden als schwache PUFs bezeichnet. Sollen solche Systeme dennoch für Authentifizierungszwecke verwendet wer- den, 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 nevertheless 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 WO 2006/053304 AI offenbart. 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 WO 2008/093273 schlägt hierzu vor, das zu schützende Objekt mit einer inhomogenen Verkapselungs- masse zu umhüllen. Das Objekt umfasst dabei eine Schaltung, die lokale Messungen der Impedanz der Verkapselung mittels geeigneter Elektroden durchführen kann. Durch zufällig verteilte dielektrische und elektrisch leitfähige Partikel in der Verkapselungsmasse sind die gemessenen Impedanzen bei jedem individuellen Objekt unterschiedlich - es handelt sich somit um eine PUF. Instead of a direct transmission of the response, a public / private key pair for an asymmetric crypto procedure is then generated in the object on the basis of the response, on the basis of which the authentication then takes place. This is disclosed, for example, in WO 2006/053304 Al. In order to ensure secure authentication, it must also be ensured that no manipulations can be performed on the specific instance of the PUF or on the protected object. WO 2008/093273 proposes for this purpose to enclose the object to be protected with an inhomogeneous encapsulation mass. The object comprises a circuit which can perform local measurements of the impedance of the encapsulation by means of suitable electrodes. By randomly distributed dielectric and electrically conductive particles in For the encapsulant, the measured impedances are different for each individual object - thus, it is a PUF.
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 da- bei vorgesehen, dass die Partikel magnetisch und/oder magne- tisierbar 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 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 Riesenmag- netwiderstandssensoren 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 spinning- current-Technologie können dabei Auflösungen und Offsets im Bereich weniger Mikrotesla erreichen. Wird eine höhere Empfindlichkeit gewünscht, können die aufwändigeren Riesenmag- netwiderstandssensoren Anwendung finden. Hall sensors or giant magnetoresistance sensors may expediently 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 spinning current technology can achieve resolutions and offsets in the range of a few microtesla. If a higher sensitivity is desired, the more expensive giant magnetoresistance 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. Hier- für 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. Here- For example, ferromagnetic particles or particles having anisotropic magnetization behavior with a preferred direction, such as thermally blocked particles, can be used. 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 sto- chastisch in der Ummantelung eingebetteter Partikel beein- flusst 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 a physical parameter is measured by means of at least one sensor embedded in a closed sheath together with the object, 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. 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 . 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. 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. Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: 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. In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
FIG 1 Eine schematische Ansicht eines Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 shows a schematic view of an embodiment of a device according to the invention;
Eine schematische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nicht vollständig gekapselten zu schützen den Objekt; A schematic view of an alternative embodiment of a device according to the invention with not completely encapsulated to protect the object;
FIG 3 eine schematische Darstellung eines exemplarischen 3 shows a schematic representation of an exemplary
Magnetfeldverlaufs in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;  Magnetic field course in one embodiment of a device according to the invention;
FIG 4 eine Detailansicht der Vorrichtung nach FIG 1 mit integrierten Sensoren; 4 shows a detailed view of the device according to FIG. 1 with integrated sensors;
FIG 5 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß FIG 1 mit integrierten Anregungsspulen und 5 shows a detailed view of the device according to FIG. 1 with integrated excitation coils and
FIG 6 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß FIG 1 mit externen Anregungsspulen. Um ein Objekt 10, beispielsweise eine elektronische Schaltung, sicher zu identifizieren und zu authentifizieren, ist die Schaltung 10 in eine Verkapselung 12 eingegossen, die eine Mehrzahl stochastisch verteilter magnetisierbarer Partikel 14 enthält. 6 shows a detailed view of the device according to FIG. 1 with external excitation coils. In order to securely identify and authenticate an object 10, for example an electronic circuit, the circuit 10 is cast in an encapsulation 12 which contains a plurality of stochastically distributed magnetizable particles 14.
Das Objekt 10 kann dabei, wie in FIG 1 gezeigt, allseitig von der Verkapselung 12 umgeben sein, oder aber, wie in FIG 2 dargestellt, auf einem Träger 16 montiert sein, so dass es nur teilweise verkapselt ist. The object 10 can, as shown in FIG. 1, be surrounded on all sides by the encapsulation 12, or, as shown in FIG. 2, be mounted on a carrier 16, so that it is only partially encapsulated.
Die stochastisch verteilten Partikel 14 wirken als magnetische Dipole, die aufgrund ihrer Zufallsverteilung ein komplexes, nicht reproduzierbares Feld erzeugen, wie in FIG 3 exem- plarisch veranschaulicht. Für jedes einzelne Objekt 10 ergibt sich somit eine eindeutige, nichtreproduzierbare Feldgeometrie, die zur Identifizierung und Authentifizierung des Objektes 10 genutzt werden kann. Mit anderen Worten stellen die zufällig in der Verkapselung 12 verteilten Partikel 14 die physikalische Implementierung einer PUF dar. The stochastically distributed particles 14 act as magnetic dipoles, which generate a complex, non-reproducible field due to their random distribution, as shown in FIG. Illustrated in a clear way. For each individual object 10, this results in a unique, non-reproducible field geometry that can be used to identify and authenticate the object 10. In other words, the particles 14 randomly distributed in the encapsulant 12 represent the physical implementation of a PUF.
Um die Identifizierung und/oder Authentifizierung des Objekts 10 vornehmen zu können, sind, wie in FIG 4 gezeigt, Magnetfeldsensoren 20 zusammen mit einer CMOS-Elektronik 18 in das eingegossenen Objekt 10 integriert. Die Magnetfeldsensoren 20 können dabei als Hall-Sensoren ausgebildet sein, die selbst in CMOS-Technik ausgeführt werden können. Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, ist auch die Verwendung von Rie- senmagnetwiderstandssensoren möglich . In order to be able to carry out the identification and / or authentication of the object 10, as shown in FIG. 4, magnetic field sensors 20 together with a CMOS electronics 18 are integrated into the cast-in object 10. The magnetic field sensors 20 may be formed as Hall sensors, which can be carried out even in CMOS technology. In order to achieve a higher sensitivity, the use of giant magnetoresistive sensors is also possible.
Aufgrund des komplexen, von den zufällig verteilten Partikeln 14 erzeugten Magnetfeldes ergibt sich an der Position jedes Sensors 20 ein eindeutiges Magnetfeld, dessen Stärke und Richtung für jedes eingegossene Objekt 10 unterschiedlich ist. Zur Identifizierung des Objekts 10 werden die Messwerte der Sensoren 20 - gegebenenfalls nach Verarbeitung durch die Elektronik 18 - nach außen an den die Identifizierung vornehmenden Partner übermittelt. Due to the complex magnetic field generated by the randomly distributed particles 14 results in the position of each sensor 20, a unique magnetic field whose strength and direction for each cast object 10 is different. In order to identify the object 10, the measured values of the sensors 20 - if necessary after being processed by the electronics 18 - are transmitted to the outside to the identifying partner.
Wird eine Manipulation an der Verkapselung 12 vorgenommen, so beeinflusst dies die Verteilung der Partikel 14. Hieraus resultiert wiederum eine Veränderung des Magnetfeldes an der Position der Sensoren 20. Ein manipuliertes Objekt kann daher nicht mehr korrekt identifiziert werden, so dass unerlaubte Eingriffe zuverlässig erkannt werden können. If a manipulation is carried out on the encapsulation 12, this influences the distribution of the particles 14. This in turn results in a change of the magnetic field at the position of the sensors 20. A manipulated object can therefore no longer be identified correctly, so that unauthorized interventions can be reliably detected can.
Die in FIG 4 dargestellte Konfiguration weist ein statisches Magnetfeld auf und entspricht daher einer schwachen PUF. Es ist daher möglich, dass ein Angreifer die übermittelten Messwerte der Sensoren 20 mitliest und speichert. Ohne weitere Maßnahmen eignet sich diese Konfiguration daher nur zur Identifizierung des Objekts 10, nicht jedoch zur sicheren Authen- tifizierung, da diese auf Grundlage der mitgelesenen Messwer te gefälscht werden könnte. The configuration shown in FIG. 4 has a static magnetic field and therefore corresponds to a weak PUF. It is therefore possible for an attacker to read and store the transmitted measured values of the sensors 20. Without further measures, this configuration is therefore only suitable for the identification of the object 10, but not for the secure authentication. because it could be forged on the basis of the readings included.
Um dies zu vermeiden, kann auf Grundlage der Messwerte der Sensoren 20 ein öffentlich-privates Schlüsselpaar für ein asymmetrisches Kryptosystem erzeugt werden. Dies kann innerhalb des Objektes 10 unter Zuhilfenahme der Elektronik 18 ge schehen . To avoid this, a public-private key pair for an asymmetric cryptosystem can be generated based on the measurements of the sensors 20. This can happen within the object 10 with the aid of the electronics 18 ge.
Um eine sichere Authentifizierung zu ermöglichen, werden Par tikel 14 verwendet, die magnetisierbar sind bzw. unter Ein- fluss eines externen Feldes ihre Magnetisierung ändern können. Beispiele hierfür sind ferromagnetische Partikel oder thermisch geblockte Partikel, die eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung aufweisen. Bei Anlegen eines externen Magnetfeldes ändern sich bei einer solchen Vorrichtung die Messwer te der Sensoren 20 in Abhängigkeit von der Verteilung der Partikel und der Struktur des externen Feldes. Für jedes vor gegebene externe Feld existiert dabei eine eindeutige Kombination von Messwerten der Sensoren 20, so dass sich definier te Challenge-Response-Paare angeben lassen. Diese können im authentifizierenden Partner gespeichert werden, so dass die Authentizität des Objekts 10 sicher überprüft werden kann. In order to enable secure authentication, particles 14 are used which can be magnetized or, under the influence of an external field, change their magnetization. Examples of these are ferromagnetic particles or thermally blocked particles which have a preferred direction of magnetization. When an external magnetic field is applied to such a device, the measured values of the sensors 20 change depending on the distribution of the particles and the structure of the external field. For each given before external field there is a unique combination of measurements of the sensors 20, so that can define specify te challenge-response pairs. These can be stored in the authenticating partner, so that the authenticity of the object 10 can be checked securely.
In diesem Fall ist die Vorrichtung als starke PUF ausgebildet. Ein Mithören der Kommunikation zwischen dem Objekt 10 und dem authentifizierenden Partner ist problemlos, sofern eine hinreichend hohe Zahl von Challenge-Response-Paaren existiert . In this case, the device is designed as a strong PUF. Monitoring the communication between the object 10 and the authenticating partner is easy, provided that a sufficiently high number of challenge-response pairs exists.
Zur Erzeugung des externen Feldes sind Spulen 22 vorgesehen, die entweder gemeinsam mit dem Objekt 10 verkapselt werden oder außerhalb der Verkapselung 12 angeordnet werden können. Insgesamt ist eine enge räumliche Nähe von Spulen 22, Sensoren 20 und Partikeln 14 empfehlenswert, um den Einfluss von Störfeldern zu begrenzen. Mit der beschriebenen Vorrichtung wird eine konstruktiv einfache, kostengünstige und manipulationssichere Möglichkeit zur Identifikation und Authentifizierung von Objekten 10 geschaffen, die für nahezu beliebige Objekte 10 Anwendung fin- den kann . To generate the external field, coils 22 are provided which can either be encapsulated together with the object 10 or arranged outside the encapsulation 12. Overall, a close spatial proximity of coils 22, sensors 20 and particles 14 is recommended in order to limit the influence of interference fields. With the described device, a structurally simple, cost-effective and tamper-proof possibility for identifying and authenticating objects 10 is created, which can be used for almost any objects 10.

Claims

Patentansprüche claims
1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (14) magnetisch und/oder magnetisierbar sind. Device for authenticating an object (10), in which the object (10) is embedded together with at least one sensor (20) in a closed sheath (12) comprising a plurality of stochastically distributed particles (14) whose local Distribution influenced at least in the presence of an external excitation by the at least one sensor (20) measurable physical parameters, characterized in that the particles (14) are magnetic and / or magnetizable.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2. Apparatus according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der wenigstens eine Sensor (20) ein Hall-Sensor ist. the at least one sensor (20) is a Hall sensor.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Apparatus according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der wenigstens eine Sensor (20) ein Riesenmagnetwiderstands- Sensor ist. the at least one sensor (20) is a giant magnetoresistance sensor.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Device according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Partikel (14) ein nichtlineares Magnetisierungsverhalten aufweisen. the particles (14) have a non-linear magnetization behavior.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Device according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
wenigstens eine Spule (22) zum Erzeugen eines elektromagneti- sehen, mit den Partikeln (14) wechselwirkenden Feldes vorgesehen ist. at least one coil (22) for generating an electromagnetic see, with the particles (14) interacting field is provided.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6. Apparatus according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die wenigstens eine Spule (22) zusammen mit dem Objekt (10) in die Ummantelung (12) eingebettet ist. the at least one coil (22) is embedded in the sheath (12) together with the object (10).
7. Verfahren zum Authentifizieren eines Objekts (10), bei welchem mittels wenigstens eines zusammen mit dem Objekt (10) in eine geschlossene Ummantelung (12) eingebetteten Sensors (20) ein physikalischer Parameter gemessen wird, welcher von einer Verteilung einer Mehrzahl stochastisch in der Ummantelung (12) eingebetteter Partikel (14) beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass A method of authenticating an object (10) in which a physical parameter is measured by at least one sensor (20) embedded in a closed sheath (12) together with the object (10), which is stochastically determined by a distribution of a plurality Sheath (12) of embedded particles (14) is influenced, characterized in that
der physikalische Parameter ein magnetisches Feld an der Position des wenigstens einen Sensors (20) betrifft. the physical parameter relates to a magnetic field at the position of the at least one sensor (20).
8. Verfahren nach Anspruch 7, 8. The method according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
auf Grundlage des mittels des wenigstens einen Sensors (20) gemessenen Parameters ein eindeutiger Identifizierungscode für das Objekt (10) erzeugt wird. a unique identification code for the object (10) is generated on the basis of the parameter measured by means of the at least one sensor (20).
9. Verfahren nach Anspruch 8, 9. The method according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der eindeutige Identifizierungscode an eine außerhalb der Um- mantelung (12) angeordnete Vorrichtung übermittelt und mit einer dort hinterlegten Datenbank von Identifizierungscodes verglichen wird. the unique identification code is transmitted to a device arranged outside the outer casing (12) and compared with a database of identification codes stored there.
10. Verfahren nach Anspruch 9, 10. The method according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
vor und/oder während der Messung des physikalischen Parameters eine magnetische Eigenschaft der Partikel (14) durch Anlegen eines vorgegebenen elektromagnetischen Feldes beeinflusst wird. Before and / or during the measurement of the physical parameter, a magnetic property of the particles (14) is influenced by applying a predetermined electromagnetic field.
11. Verfahren nach Anspruch 10, 11. The method according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
dass zu jedem vorgegebenen elektromagnetischen Feld ein dem Objekt (10) zugeordneter eindeutiger Identifizierungscode in der Datenbank hinterlegt ist. in that a unique identification code assigned to the object (10) is stored in the database for each predetermined electromagnetic field.
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