WO2014048631A1 - Selbst-test einer physical unclonable function - Google Patents

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WO2014048631A1
WO2014048631A1 PCT/EP2013/066653 EP2013066653W WO2014048631A1 WO 2014048631 A1 WO2014048631 A1 WO 2014048631A1 EP 2013066653 W EP2013066653 W EP 2013066653W WO 2014048631 A1 WO2014048631 A1 WO 2014048631A1
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circuit unit
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Rainer Falk
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H04L2209/26—Testing cryptographic entity, e.g. testing integrity of encryption key or encryption algorithm

Definitions

  • the present invention relates to the technical Ge ⁇ Biet the self-tests of Physical Unclonable Functions.
  • FIG. 1 shows a physical unclonable function 105, often simply called PUF, according to the prior art.
  • the PUF can be entered for a batch information C105.
  • the PUF 105 ge ⁇ neriert then a response Information R105.
  • a PUF can also be used to form a cryptographic
  • FIG 2 shows a corresponding basic scheme according to the prior art with a PUF 115, in which a challenge information C115 can be entered, whereupon the PUF 115 outputs a response information R115.
  • a cryptographic key CK is determined by means of a fuzzy key extractor 118, also called FKE, using auxiliary data 117 by means of the PUF 115.
  • Physical Unclonable Functions are known to identify objects reli ⁇ casual basis of their intrinsic physical properties.
  • a physical property of an object eg a semiconductor IC
  • the authentication of an object is based on the fact that, depending on a challenge value, a PUF function defined by physical properties results in an associated response. value is returned.
  • physical unclonable functions provide an area-chen noirde and thus cost effective way to authenticate a physi ⁇ -earth object from its intrinsic physical properties. for this purpose, at a predetermined challenge value by the PUF depends on object-specific physical properties of the Related SCs object, a response value determined. an inspector who wishes an object au ⁇ thent I can in known challenge-response pairs by a similarity comparison of the present and the response provided by the authenticated object values the object as an original object identif ifug.
  • PUFs are Delay PUF / Arbiter PUF, SRAM PUF, Ring Oscillator PUF, Bistable Ring PUF, Flip Flop PUF, Glitch PUF, Cellular Non-linear Network PUF, or Buttertyl PUF.
  • Special PUFs for example, in the case of ICs, can be applied to the IC (Coating PUF, Optical PUF) and thereby realize a layer above the IC which on the one hand prevents access to internal (underlying) structures and which is destroyed on removal.
  • this has the disadvantage that special manufacturing processes are needed.
  • CAVP Cryptographic Algorithm Validation Program
  • a cryptographic security component performs a self-test during operation so that it can not be used in the event of a malfunction. Due to their statistical behavior, a Physical Unclonable Function has special requirements in comparison to a conventional cryptographic algorithm, so that the known self-test methods can not be used.
  • a Physical Unclonable Function is an elementary security function block with which, for example, Authentication can be done or a cryptographic key can be determined.
  • a switching ⁇ circuit unit comprises a Physical Unclonable Function (PUF), a test unit and an information memory for storing at least one challenge-response pair.
  • the challenge-response pair to ⁇ summarizes a Challenge information and related to res ⁇ ponse information.
  • the test unit is configured and / or adapted to cause an input of the challenge information into the PUF and to use a PUF response generated thereon by the PUF and the response information for a comparison. Depending on the result of the comparison, the test unit releases or limits the use of the PUF.
  • the invention relates to a method for performing a self-test of a PUF comprised by a circuit unit.
  • the circuit unit includes fully a PUF, a checking unit and a Informationsspei ⁇ cher for storing at least a challenge-response pair.
  • the challenge-response pair comprises a challenge information and a corresponding response information.
  • the challenge information is entered into the PUF.
  • a PUF response generated thereon by the PUF and the response information are used by the test unit for comparison. Depending on the result of the comparison, a use of the PUF is released or restricted.
  • Figure 1 is a PUF according to the prior art
  • Figure 2 is a basic scheme of the prior art with the means of a PUF a cryptographic key can be determined
  • FIG. 3 shows a circuit unit according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a flow chart for a preferred embodiment of the inventive method.
  • FIG. 3 shows a circuit unit 1 according to a Favor ⁇ th embodiment of the invention.
  • the circuit unit 1 comprises a physical unclonable function 6, a check unit 5 and an information memory 7 for storing at least one challenge-response pair CR1. Further challenge-response pairs CRi can be stored in the information memory 7.
  • the Physical Unclonable Function 6 is subsequently also called PUF 6.
  • a challenge-response pair CR1, or CRi typically includes a challenge information C1, respectively Ci, and associated responder information R1, respectively Ri.
  • the test unit 5 is designed and / or adapted, an input of the challenge
  • the test unit 5 is configured and / or adapted to use the PUF response PR1 generated thereon by the PUF 6 and the response information Rl for a comparison.
  • the test unit 5 is configured and / or adapted to release or restrict use of the PUF 6 depending on the result of the comparison. The release, respectively, restricting the PUF 6 can ⁇ example by means of a switch 13 shown in Figure 3 be carried out.
  • Figure 3 thus shows a physical PUF 6, for example according to the prior art, and an inspection unit 5, which, CRi the physical PUF 6 tests with ⁇ means of stored reference data CRI before access from the outside is allowed to the PUF (symbolically by switch 13 shown).
  • the circuit unit 1 is an integrated circuit 1. This increases the security against attack. It is conceivable that the circuit unit 1 but also a combination of integrated circuits, which forms by suitable means, for example cast in a suitable plastic or other suitable material a permanent unit.
  • the circuit unit 1 includes a communica tion ⁇ interface 9, through which an external access from an external device to the PUF 6 can be undertaken.
  • a communica tion ⁇ interface 9 through which an external access from an external device to the PUF 6 can be undertaken.
  • an external Challenge information CE can be ⁇ give the PUF 6 by means of the communication interface.
  • the PUF 6 indicates that this is an externally agreed from PUF response PRE for the external device via the communi ⁇ nikationsterrorism 9th
  • the use of the PUF 6 is releasable or restrictable by the access to the PUF 6 is released or blocked directly. It can be opened or restrictable for example, the application of the PUF Ver ⁇ 6 by the communication interface is enabled or disabled. 9
  • the communication interface 9 can be disabled. Can be blocked, for example, a white ⁇ more excellent function block (eg, an RF communication tion function block of an RFID chip with PUF-based au- or I2C interface), which is integrated in the switching circuit unit ⁇ or externally.
  • the use of the PUF 6 can be released or limited by means of a cryptographic parameter determined by the PUF 6, preferably by a cryptographic key being able to be determined by a fuzzy key extractor.
  • a cryptographic parameter determined by the PUF 6 preferably by a cryptographic key being able to be determined by a fuzzy key extractor.
  • the issuing of the key can be blocked.
  • other Wor ⁇ th order 9 of the PUF access can be locked by means of such a function in a subsequent processing step as for example in direct blocking of external communication interface.
  • a fuzzy key extractor function block for PUF response value-dependent derivation of a cryptographic key, or a key output function block for providing a cryptographic key can be disabled.
  • the inspection unit 5 determines a Convention Stim ⁇ mungshunt in the context of the comparison.
  • the match score is compared to a threshold. If the determined measure of conformity reaches or exceeds the threshold value, the use of the PUF 6 is released or restricted.
  • the threshold may be configurable for multiple uses of the PUF 6, and / or different thresholds may be assigned to different uses. Use of the PUF optionally blocked from ⁇ dependent on the comparison result only for some uses, but shared with others. Kon ⁇ kret could be two cryptographic keys from the PUF are routed from ⁇ . Depending on the result of the comparison, the access to both keys, to only the first key (or only to the second key), or to no key is released.
  • the test unit can check within the scope of the comparison whether the response R 1 sufficiently matches the PUF response PR1. In order to increase the validity of the comparison, but the test unit may also check for more re-input the challenge information Cl in the PUF 6, whether the thus generated by the PUF 6 PUF responses PRi suffi ⁇ accordingly coincide with the response R in the context of the comparison , Likewise, in the context of the comparison for several challenge-response pairs CRi, which each comprise a challenge information Ci and a response information Ri associated with the challenge information Ci, the check unit can check whether the responses due to the inputs of the challenge Information Ci in the PUF 6 by the PUF 6 generated PUF responses PRi sufficiently agree with the respective responses Ri ⁇ .
  • a PUF assembly performs a self-test before providing access to the PUF functionality (eg, for authentication or key determination). For this purpose, a self-check of the PUF 6 takes place by means of reference data stored in the data memory 7. If this is successful, the access to the PUF 6 is released.
  • FIG. 4 shows a flowchart 20 for a preferred embodiment of the inventive method 20, which can be carried out by the circuit unit shown in FIG.
  • the method 20 allows performing a self-test for the circuit unit 1.
  • the method 20 is started with the method step 21.
  • the inspection unit 5 detects test data, such as the challenge-response pair CR1.
  • the challenge information Cl of the challenge-response pair CR1 is then input to the PUF 6.
  • the PUF then delivers a PUF response PR1.
  • the PUF response PR1 and the response information R1 are then compared by the test unit 5, represented by the method step 24.
  • a PUF confidence value is determined.
  • the confidence value allows a statement about how well the PUF response PR1 and the response information Rl match. A high confidence value corresponds to a good agreement.
  • Process step 29 represents the end of the process.
  • a functional test for a PUF is proposed. This can be integrated into a PUF unit as a self-test or possibly also be present separately. Prior to a use release of the PUF or a security functionality of the device in which the PUF is integrated, the functional check of the PUF takes place. The test can take place at different times or events:
  • the test may comprise one of more of the following tests.:

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Description

Beschreibung
Selbst-Test einer Physical Unclonable Function Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Ge¬ biet der Selbsttests von Physical Unclonable Functions.
PUF-based Secure Test Wrapper Design for Cryptographic SoC Testing
http : //www .cosic.esat. kuleuven . be/publications/article-
2165.pdf beschreibt die Verwendung einer PUF, um den Zugriff zu einer Test-Schnittstelle eines ICs zu schützen. Erwähnt wird auch der allgemein bekannte Selbst-Test (BIST - built-in seif test) , durch den eine Baugruppe selbst ihre korrekte Funktionalität testet und eine entsprechende Status-Meldung bereitstellt .
Von Tim Tuyls, Boris Skoric: Strong Authentication with Physical Unclonable Functions, in Security Privacy, and Trust in Modern Data Management, Springer, 2007, p.l33ff. ist bekannt, aus einer PUF einen Sensor zum Erkennen von physikalischen Manipulationen /Tampering) zu bauen. Dazu überwacht die PUF im Betrieb, ob auf bekannte Challenges die erwarteten Respon- se-Werte zurückgeliefert werden. Eine physikalischen Manipu- lation, bei der die PUF physikalisch zerstört oder modifziert wird, kann erkannt werden, indem nicht mehr die erwartete Response breitgestellt wird (siehe Seite 135, wo beschrieben wird, dass real time tamper Detektierung erreicht werden kann, wenn die PUF eine integrierte PUF ist, welche Zugang auf die Enrolment-Daten hat) . Die PUF führt dann regulär
Selbsttests aus und nimmt die angemessene Handlung vor, z.B. Auslösen eines Alarms oder Ausschalten, sobald eine Response nicht mit den Enrolement-Daten übereinstimmt. Figur 1 zeigt eine Physical Unclonable Function 105, oft auch einfach PUF genannt, gemäß dem Stand der Technik. Eine Chal- lenge-Information C105 ist die PUF eingebbar. Die PUF 105 ge¬ neriert daraufhin eine Response-Information R105. Eine PUF kann auch zur Bildung eines kryptographischen
Schlüssels verwendet werden. Figur 2 zeigt ein entsprechendes Grundschema nach dem Stand der Technik mit einer PUF 115, in welche eine Challenge-Information C115 eingebbar ist, worauf die PUF 115 eine Response-Information R115 ausgibt. Dabei wird durch einen Fuzzy Key Extractor 118, auch FKE genannt, unter Verwendung von Hilfs-Daten 117 mittels der PUF 115 ein kryptographischer Schlüssel CK bestimmt.
Einen Überblick über Physical Unclonable Functions (PUF) ge¬ ben die Vorlesungsunterlagen
http : //www . sec . i . tum. de/assets /lehre/ssl 0 /sms/sms-kap6-r id- tei!2. pdf .
Physical Unclonable Functions sind bekannt, um Objekte zuver¬ lässig anhand ihrer intrinsischen physikalischen Eigenschaften zu identifizieren. Eine physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes (z.B. ein Halbleiter-IC) wird dabei als indivi- dueller „Fingerabdruck" verwendet. Die Authentisierung eines Objekts basiert darauf, dass abhängig von einem Challenge- Wert durch eine durch physikalische Eigenschaften definierte PUF-Funktion ein zugehöriger Response-Wert zurückgeliefert wird. Physical Unclonable Functions (PUF) bieten eine flä- chensparende und damit kostengünstige Möglichkeit, ein physi¬ kalisches Objekt anhand seiner intrinsischen physikalischen Eigenschaften zu authentisieren . Dazu wird zu einem vorgegebenen Challenge-Wert durch die PUF abhängig von objektspezifischen physikalischen Eigenschaften des Objekts ein zugehö- riger Response-Wert ermittelt. Ein Prüfer, der ein Objekt au¬ thentisieren möchte, kann bei bekannten Challenge-Response- Paaren durch einen Ähnlichkeitsvergleich der vorliegenden und der vom authentisierten Objekt bereitgestellten Response- Werten das Objekt als Originalobjekt identifizieren.
Weitere Anwendungen einer PUF sind bekannt, insbesondere die Chip-interne Bestimmung eines kryptographischen Schlüssels mittels einer PUF. Beispiele für PUFs sind Delay-PUF / Arbiter-PUF, SRAM-PUF, Ring-Oscillator PUF, Bistable Ring PUF, Flip-Flop-PUF, Glitch PUF, Cellular Non-linear Network PUF, oder Buttertly-PUF . Spezielle PUFs z.B. bei ICs können auf dem IC aufgebracht werden (Coating PUF, Optical PUF) und dadurch eine Schicht oberhalb des ICs realisieren, die zum einen den Zugriff auf interne (darunterliegende) Strukturen verhindert, und die bei Entfernen zerstört wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass spezielle Fertigungsverfahren benötigt werden. Auch werden ggf. Angriffe, die die Schutzschicht nicht beschädigen, nicht erkannt (z.B. die von der gegenüberliegenden Seite oder seitlich erfolgen) . Die PUF-Rohdaten (Response) müssen im Allgemeinen noch nachbearbeitet werden, um statistische Schwankungen der PUF- Response zu kompensieren (z.B. durch eine Vorwärtsfehlerkor- rektur oder durch eine Merkmalsextraktion entsprechend wie bei einer herkömmlichen Fingerabdrucks-Authentisierung) . Dies ist auch unter dem Begriff "Fuzzy Key Extractor" bekannt (siehe z.B.
http : //www .iacr.org/archive/eurocrypt2004 /30270518 /DRS- ec2004-final.pdf ;
http : //www . es . ucla . edu/~rafail/PUBLIC/ 89. pdf) .
Es ist bekannt, die Implementierung eines Crypto-Algorithmus durch einen unabhängigen Prüfer zu verifizieren, z.B. Cryp- tographic Algorithm Validation Program (CAVP) , siehe z.B. http://csrc.nist. gov/groups/STM/cavp/index . html und
http : //www .atsec . com/us/cryptographic-algorithm-testing-lab- resources . html
Es ist bekannt, dass ein Gerät einen Selbsttest durchführt. Im Speziellen ist bekannt, dass bei einem Gerätestart
und/oder wiederkehrend ein Selbst-Check der Crypto-
Funktionalität erfolgt. Nur im positiven Fall wird die Nut¬ zung der Crypto-Funktionalität freigegeben. Siehe z.B.
http : / /spiderman- 2. laas . fr/WDSNO 8 /2ndWDSN08 (LAAS) _files/Texts/WDSN08-08- DiNatale.pdf zum Ressourcen-effizienten Built-in seif test eines symmetrischen Crypto-Algorithmus . Auch fordern manche Standards wie FIPS140-2 einen Selbst-Test der Crypto- Funktionen (siehe
http://csrc.nist. gov/publications/fips/fipsl40-2/fipsl402.pdf Abschnitt 4.9). Bekannte Verfahren sind in FIPS140-2 Ab¬ schnitt 4.9 angegeben. Bei physikalischen Zufallszahlengeneratoren ist eine Evaluierung mittels statistischer Tests bekannt
(https : //www . bsi . bund . de/SharedDocs /Downloads /DE/BS I /Zertifiz ie- rung/ Interpretationen/ais31_pdf .pdf? blob=publicationFile) . Es ist bekannt, die Qualität der physikalisch erzeugten Zu¬ fallszahlen im laufenden Betrieb zu testen und im Fehlerfall die Bereitstellung von Zufallszahlen einzustellen
(http : //www . ibbergmann . org/Physikalischer_Zufallssignalgenera tor . pdf)
Es ist bekannt, auf einer PUF einen Schlüssel abzuleiten. Auch bei statistischen Schwankungen kann durch Fehlerkorrekturverfahren der Schlüssel eindeutig erzeugt werden
(http : / /members . home .nl/skoric/security/PUF_KeyExtraction . pdf ) . Dabei ist auch beschrieben, einige Challenge-Werte zu re¬ servieren, um damit eine Kalibrierung der PUF vorzunehmen. Ein Überprüfer (Verifier) prüft anhand dieser bekannten Kal- librierwerte, ob der Leser (Überprüfer) und die PUF korrekt ausgerichtet sind. Nur bei hinreichend geringer Abweichung der gemessenen und der gespeicherten Kalibrierwerte erfolgt eine tatsächliche Authentisierung . Dies betrifft speziell op¬ tische PUFs, bei denen ein Lesegerät und die optische PUF hinreichend genau ausgerichtet sein müssen, um das erwartete Ergebnis zu erhalten.
Es sind unterschiedliche Verfahren zur Fehlerkorrektur bzw. Fehlererkennung bekannt, z.B. BCH-Codes oder Turbo-Codes. Diese können auch eingesetzt werden, um die Hamming-Distanz , d.h. die Anzahl abweichender Bits, zu ermitteln.
Es ist bewährte Praxis, dass eine kryptographische Security- Komponente im Betrieb einen Selbsttest durchführt, sodass sie bei einer Fehlfunktion nicht genutzt werden kann. Eine Physi- cal Unclonable Function hat hier aufgrund ihres statistischen Verhaltens im Vergleich zu einem herkömmlichen kryptographi- schen Algorithmus besondere Anforderungen, sodass die bekann- ten Selbsttestverfahren nicht nutzbar sind.
Eine Physical Unclonable Function ist ein elementarer Securi- ty-Funktionsbaustein, mit dem z.B. eine Authentisierung erfolgen kann oder ein kryptographischer Schlüssel bestimmt werden kann.
Es besteht daher ein Bedarf an einer sicheren PUF. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung diesem Bedarf nachzukommen .
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalskombinationen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen an- ge-igeben .
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schalt¬ kreiseinheit vorgeschlagen. Die Schaltkreiseinheit umfasst eine Physical Unclonable Function (PUF) , eine Prüfeinheit und einen Informationsspeicher zum Speichern mindestens eines Challenge-Response-Paares . Das Challenge-Response-Paar um¬ fasst eine Challenge-Information und eine dazu gehörige Res¬ ponse-Information . Die Prüfeinheit ist ausgestaltet und/oder adaptiert, eine Eingabe der Challenge-Information in die PUF zu veranlassen und eine darauf durch die PUF erzeugte PUF- Response und die Response-Information für einen Vergleich zu verwenden. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs gibt die Prüfeinheit eine Verwendung der PUF frei oder schränkt diese ein . Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Durchführen eines Selbstests einer durch eine Schaltkreiseinheit umfassten PUF. Die Schaltkreiseinheit um- fasst eine PUF, eine Prüfeinheit und einen Informationsspei¬ cher zum Speichern mindestens eines Challenge-Response- Paares. Das Challenge-Response-Paar umfasst dabei eine Chal- lenge-Information und eine dazu gehörige Response- Information. Im Rahmen des Verfahrens wird die Challenge- Information in die PUF eingegeben. Eine darauf durch die PUF erzeugte PUF-Response und die Response-Information werden durch die Prüfeinheit für einen Vergleich verwendet. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird eine Verwendung der PUF freigegeben oder eingeschränkt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert. Dabei zei¬ gen : Figur 1 eine PUF gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 ein Grundschema nach dem Stand der Technik mit dem mittels einer PUF ein kryptographischer Schlüssel bestimmbar ist ;
Figur 3 eine Schaltkreiseinheit gemäß einer bevorzugten Aus¬ führungsform der Erfindung; und
Figur 4 ein Flussdiagramm für eine bevorzugte Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens.
Figur 3 zeigt eine Schaltkreiseinheit 1 gemäß einer bevorzug¬ ten Ausführungsform der Erfindung. Die Schaltkreiseinheit 1 umfasst eine Physical Unclonable Function 6, eine Prüfeinheit 5 und einen Informationsspeicher 7 zum Speichern mindestens eines Challenge-Response-Paares CR1. Weitere Challenge- Response-Paare CRi können in dem Informationsspeicher 7 speicherbar sein. Die Physical Unclonable Function 6 wird im Fol- genden auch PUF 6 genannt. Ein Challenge-Response-Paar CR1, respektive CRi umfasst typischerweise eine Challenge- Information Cl, respektive Ci und eine dazu gehörige Respon- se-Information Rl, respektive Ri . Die Prüfeinheit 5 ist aus- gestaltet und/oder adaptiert, eine Eingabe der Challenge-
Information Cl oder mehrerer Challenge-Information Ci in die PUF 6 zu veranlassen. Die Prüfeinheit 5 ist ausgestaltet und/oder adaptiert, die darauf durch die PUF 6 erzeugte PUF- Response PR1 und die Response-Information Rl für einen Ver- gleich zu verwenden. Zudem ist die Prüfeinheit 5 ausgestaltet und/oder adaptiert abhängig vom Ergebnis des Vergleichs eine Verwendung der PUF 6 freizugeben oder einzuschränken. Die Freigabe, respektive Einschränkung der PUF 6, kann beispiels¬ weise mittels eines in Figur 3 dargestellten Schalters 13 durchführbar sein.
Figur 3 zeigt also eine physikalische PUF 6, beispielsweise nach dem Stand der Technik und eine Prüfeinheit 5, die mit¬ tels gespeicherter Referenzdaten CRI, CRi die physikalische PUF 6 testet, bevor der Zugriff von Außen auf die PUF zugelassen wird (durch Schalter 13 symbolisch dargestellt) .
Vorzugsweise ist die Schaltkreiseinheit 1 ein integrierter Schaltkreis 1. Dies erhöht die Angriffssicherheit. Denkbar ist, dass die Schaltkreiseinheit 1 aber auch eine Kombination von integrierten Schaltkreisen ist, die mit geeigneten Mitteln, zum Beispiel eingegossen in einen geeigneten Plastik oder sonstigen geeigneten Werkstoff eine dauerhafte Einheit bildet .
Vorzugsweise umfasst die Schaltkreiseinheit 1 eine Kommunika¬ tionsschnittstelle 9, durch welche ein Zugriff von extern durch ein externes Gerät auf die PUF 6 vornehmbar ist. Wie in Figur 9 dargestellt, kann bei einer freigegebenen Kommunika- tionsschnittstelle 9 eine externe Challenge-Information CE mittels der Kommunikationsschnittstelle 9 in die PUF 6 einge¬ geben werden. Die PUF 6 gibt darauf hin eine für extern be- stimmte PUF-Response PRE für das externe Gerät via die Kommu¬ nikationsschnittstelle 9 aus.
Vorzugsweise ist die Verwendung der PUF 6 freigebbar oder einschränkbar, indem der Zugriff auf die PUF 6 direkt freigegeben oder gesperrt wird. Dabei kann beispielsweise die Ver¬ wendung der PUF 6 freigebbar oder einschränkbar sein, indem die Kommunikationsschnittstelle 9 freigegeben oder gesperrt wird. Beispielsweise kann die Kommunikationsschnittstelle 9 gesperrt werden. Gesperrt werden kann beispielsweise ein wei¬ terer Funktionsblock (z.B. ein HF-Kommunikations- Funktionsblock eines RFID-Chips mit PUF-basierter Authenti- sierung, oder eine I2C-Schnittstelle) , welche in der Schalt¬ kreiseinheit integriert oder extern ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verwendung der PUF 6 mittels eines durch die PUF 6 bestimmten kryptographischen Parameters freigebbar oder einschränkbar, vorzugsweise indem durch einen Fuzzy Key Extractor ein kryp- tographischer Schlüssel ermittelbar ist. Beispielsweise kann das Ausgeben des Schlüssels gesperrt werden. Mit andern Wor¬ ten kann damit in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt als beispielsweise bei der direkten Sperrung der externen Kommunikationsschnittstelle 9 der PUF-Zugriff mittels einer solchen Funktion gesperrt werden. So kann z.B. ein Fuzzy-Key- Extractor-Funktionsblock zur von PUF-Response-Werten abhängigen Ableitung eines kryptographischen Schlüssels, oder eine Schlüsselausgabe-Funktionsblock zur Bereitstellung eines kryptographischen Schlüssels gesperrt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ermittelt die Prüfeinheit 5 im Rahmen des Vergleiches ein Übereinstim¬ mungsmaß. Das Übereinstimmungsmaß wird mit einem Schwellwert verglichen. Falls das ermittelte Übereinstimmungsmaß den Schwellwert erreicht oder übertrifft, wird die Verwendung der PUF 6 freigegeben oder eingeschränkt. Selbstverständlich können auch bei geeigneter Wahl auch bei einem Unterschreiten des Schwellwertes die geeigneten Maßnahmen vorgenommen wer- den, und je nach Ausführungsform die PUF freigegeben oder eingeschränkt werden. Ebenso kann der Schwellwert für mehrere Nutzungszwecke der PUF 6 konfigurierbar sein, und/oder es können unterschiedlichen Nutzungszwecken unterschiedliche Schwellwerte zugeordnet werden. Die Nutzung der PUF wird ab¬ hängig vom Vergleichsergebnis gegebenenfalls nur für manche Nutzungszwecke gesperrt, für andere jedoch freigegeben. Kon¬ kret könnten zwei kryptographische Schlüssel aus der PUF ab¬ geleitet werden. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird der Zu- griff auf beide Schlüssel, auf nur den ersten Schlüssel (bzw. nur auf den zweiten Schlüssel) , oder auf keinen Schlüssel freigegeben .
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Prüf- einheit im Rahmen des Vergleiches überprüfen, ob die Response Rl mit der PUF-Response PR1 ausreichend übereinstimmt. Um die Aussagekraft des Vergleichs zu erhöhen, kann die Prüfeinheit aber im Rahmen des Vergleiches auch für mehrmalige Eingabe der Challenge Information Cl in die PUF 6 überprüfen, ob die dadurch durch die PUF 6 erzeugten PUF-Responses PRi ausrei¬ chend mit der Response Rl übereinstimmen. Ebenso kann die Prüfeinheit im Rahmen des Vergleiches für mehrere Challenge- Response-Paare CRi, welche jeweils eine Challenge-Information Ci und eine zu der Challenge- Information Ci zugeordnete Res- ponse-Information Ri umfassen, überprüfen, ob die aufgrund der Eingaben der Challenge Information Ci in die PUF 6 durch die PUF 6 erzeugten PUF-Responses PRi ausreichend mit den je¬ weiligen Responses Ri übereinstimmen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen führt eine PUF-Baugruppe einen Selbsttest durch, bevor Zugriff auf die PUF- Funktionalität bereitgestellt wird (z.B. zur Authentisierung oder Schlüsselbestimmung) . Dazu erfolgt mittels in dem Datenspeicher 7 gespeicherter Referenzdaten eine Selbstprüfung der PUF 6. Wenn diese erfolgreich ist, wird der Zugriff auf die PUF 6 freigegeben. Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm 20 für eine bevorzugte Aus¬ führungsform des erfinderischen Verfahrens 20, welches durch die in Figur 3 dargestellte Schaltkreiseinheit durchführbar ist .
Das Verfahren 20 erlaubt das Durchführen eines Selbsttestes für die Schaltkreiseinheit 1. Mit dem Verfahrensschritt 21 wird das Verfahren 20 gestartet. Standardmässig ist der Zu¬ griff auf die PUF 6 gesperrt, dargestellt durch Verfahrens- schritt 22. Im Verfahrensschritt 23 erfasst die Prüfeinheit 5 Testdaten, beispielsweise das Challenge-Response-Paar CR1. Die Challenge-Information Cl des Challenge-Response-Paares CR1 wird dann in die PUF 6 eingegeben. Daraufhin liefert die PUF eine PUF-Response PR1. Die PUF-Response PR1 und die Res- ponse-Information Rl wird dann durch die Prüfeinheit 5 verglichen, dargestellt durch den Verfahrensschritt 24. In dem Verfahrensschritt 25 wird ein PUF-Konfidenzwert ermittelt. Beispielsweise lässt der Konfidenzwert eine Aussage darüber zu, wie gut die PUF-Response PR1 und die Response-Information Rl übereinstimmen. Ein hoher Konfidenzwert entspricht dabei einer guten Übereinstimmung. Übertrifft der Konfidenzwert einen Schwellwert, was im Verfahrensschritt 26 übeprüft wird, so wird im Verfahrensschritt 27 der Zugriff auf die PUF 6 freigegeben. Übertrifft der Konfidenzwert den Schwellwert je- doch nicht, so wird im Rahmen des Verfahrensschrittes 28 der Zugriff auf die PUF 6 nicht freigegeben. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird somit also eine Verwendung der PUF 6 freigegeben oder eingeschränkt. Verfahrensschritt 29 stellt das Ende des Verfahrens dar.
Gemäß einer bevorzugten Ausührungsform der Erfindung wird eine Funktionsprüfung für eine PUF vorgeschlagen. Diese kann in eine PUF-Einheit als Selbsttest integriert sein oder ggf. auch separat vorliegen. Vor einer Verwendungsfreigabe der PUF bzw. einer Security-Funktionalität des Gerätes, in das die PUF integriert ist, erfolgt die Funktionsprüfung der PUF. Die Prüfung kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. Ereignissen erfolgen:
• Fertigung
• Inbetriebnahme
· Booten / nach Strom anlegen
• regelmäßig im Betrieb wiederkehrend,... ; z.B. in regelmä¬ ßigen Zeitintervallen, oder interleaved mit Berechnung externer, „scharf" genutzter Challenges (int, ext, int, ext, ...) . Die Prüfung kann eine der mehreren der folgenden Prüfungen umfassen :
• Ermitteln von statistischen Kenngrößen von mehrerer Antworten mit gleichen Challenge-Werten (z.B. Hamming-Distanz : Minimum/Maximum, /Mittelwert/Varianz/Standardabweichung der Hamming-Distanz) . Diese müssen in einem bestimmten Bereich liegen .
• Prüfen mittels bekannten Test Challenge-/Response- Paaren: Fehlerabweichung (Hamming-Distanz der Response einer Challenge mit der bekannten Response-Werten ermitteln und mit Schwellwert vergleichen. Der Schwellwert wird sinnvollerweise „enger" (vorsichtiger) gesetzt als für einen operativen Betrieb erforderlich. Falls aus einer PUF z.B. ein Schlüssel mittels einer Key Extractor Funktion bestimmt wird, wobei z.B. bis zu 20 Bitfehler korrigierbar sind, so erfolgt zuerst ein Test der PUF (mit anderen Challenge-Test-Werten) , wobei maximal 10 oder 15 Bitfehler auftreten dürfen, um eine weitere Nutzung der PUF für die Schlüsselextraktion zuzulassen. Alternativ kann auch aus PUF mit ersten Satz von Challenge- Werten ein erster Key extrahiert und mittels gespeicherter Referenzinformation geprüft werden. Einen zweiter (scharfer) Key wird nur extrahiert bzw. nur verwendet, wenn der erste Key als gültig erkannt ist. Auch hier kann beim ersten Key eine „zurückhaltendere" (weniger Fehler korrigierende) Feh¬ lerkorrektur angewandt werden im Vergleich zur Extraktion ei- nes „scharfen" Schlüssels.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltkreiseinheit (1) umfassend eine im Folgenden PUF (6) genannte Physical Unclonable Function (6), eine Prüfeinheit (5) und einen Informationsspeicher (7) zum Speichern mindestens eines Challenge-Response-Paares (CR1);
wobei das Challenge-Response-Paar (CR1) eine Challenge- Information (Cl) und eine dazu gehörige Response-Information (Rl) umfasst; und
wobei die Prüfeinheit (5) ausgestaltet und/oder adaptiert ist, eine Eingabe der Challenge-Information (Cl) in die PUF (6) zu veranlassen, und eine darauf durch die PUF (6) erzeug¬ te PUF-Response (PR1) und die Response-Information (Rl) für einen Vergleich zu verwenden und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs eine Verwendung der PUF (6) freizugeben oder einzuschränken .
2. Schaltkreiseinheit (1) nach Anspruch 1, wobei die
Schaltkreiseinheit (1) ein integrierter Schaltkreis (1) ist.
3. Schaltkreiseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Schnittstelle (9) durch welche ein Zugriff von extern auf die PUF (6) vornehmbar ist.
4. Schaltkreiseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwendung der PUF (6) freigebbar oder einschränkbar ist, indem der Zugriff auf die PUF (6) direkt freigegeben oder gesperrt wird.
5. Schaltkreiseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwendung der PUF (6) freigebbar oder einschränkbar ist, indem die Schnittstelle (9) freigegeben oder gesperrt wird.
6. Schaltkreiseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwendung der PUF (6) mittels eines durch die PUF (6) bestimmten kryptographischen Parameters freigebbar oder einschränkbar ist, vorzugwseise indem durch einen Fuzzy Key Extractor ein kryptographischer Schlüssel ermittelbar ist, wobei das Ausgeben des Schlüssels gesperrt werden kann .
7. Schaltkreiseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfeinheit (5) ausgestaltet und/oder adaptiert ist, im Rahmen des Vergleiches ein Übereinstim¬ mungsmaß zu ermitteln, welches mit einem Schwellwert vergli¬ chen wird, und die Verwendung der PUF (6) freigegeben oder eingeschränkt wird, falls das ermittelte Übereinstimmungsmaß den Schwellwert erreicht, übertrifft oder unterschreitet.
8. Schaltkreiseinheit (1) nach Anspruch 7, wobei der
Schwellwert für mehrere Nutzungszwecke der PUF (6) konfigu- rierbar ist, wobei unterschiedlichen Nutzungszwecken unterschiedliche Schwellwerte zuordenbar sind.
9. Schaltkreiseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfeinheit (5) ausgestaltet und/oder adaptiert ist, im Rahmen des Vergleiches zu überprüfen, ob: a) die Response (Rl) mit der PUF-Response (PR1) ausreichend übereinstimmt; oder
b) für mehrmalige Eingabe der Challenge Information (Cl) in die PUF (6) die dadurch durch die PUF (6) erzeugten PUF- Responses (PRi) ausreichend mit der Response (Rl) überein¬ stimmen; oder
c) für mehrere Challenge-Response-Paare (CRi) , welche jeweils eine Challenge-Information (Ci) und eine zu der Challenge- Information (Ci) zugeordnete Response-Information (Ri) umfas- sen, die aufgrund der Eingaben der Challenge Information (Ci) in die PUF (6) durch die PUF (6) erzeugten PUF-Responses (PRi) ausreichend mit den jeweiligen Responses (Ri) überein¬ stimmen .
10. Verfahren zum Durchführen eines Selbstestes für eine
Schaltkreiseinheit (1) welche eine im Folgenden PUF (6) ge¬ nannte Physical Unclonable Function (6), eine Prüfeinheit (5) und einen Informationsspeicher (7) zum Speichern mindestens eines Challenge-Response-Paares (CR1) umfasst, wobei das Challenge-Response-Paar (CR1) eine Challenge-Information (Cl) und eine dazu gehörige Response-Information (Rl) umfasst, das Verfahren umfassend die Verfahrensschritte:
Eingeben der Challenge-Information (Cl) in die PUF (6);
Verwenden einer darauf durch die PUF (6) erzeugten PUF- Response (PR1) und der Response-Information (Rl) für einen durch die Prüfeinheit 5 durchgeführten Vergleich, wobei abhängig vom Ergebnis des Vergleichs eine Verwendung der PUF (6) freigegeben oder eingeschränkt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schaltkreiseinheit (1) ein integrierter Schaltkreis (1) ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Schaltkreiseinheit eine Schnittstelle (9) umfasst, durch welche aufgrund des Vergleichs ein Zugriff von extern auf die PUF 6 vorgenommen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Verwendung der PUF (6) wobei die Verwendung der PUF direkt freigegeben oder gesperrt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Verwendung der PUF (6) freigegeben oder eingeschränkt wird, indem die Schnittstelle (9) freigegeben oder eingeschränkt wird .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Verwendung der PUF (6) mittels eines durch die PUF (6) be¬ stimmten kryptographischen Parameters freigegeben oder eingeschränkt wird, vorzugwseise indem durch einen Fuzzy Key Ex- tractor ein kryptographischer Schlüssel ermittelt wird, wobei das Ausgeben des Schlüssels gesperrt werden kann und so die Verwendung der PUF (6) eingeschränkt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei im Rahmen des Vergleiches ein Übereinstimmungsmaß ermittelt wird, welches mit einem Schwellwert verglichen wird, und die Verwendung der PUF (6) freigegeben oder eingeschränkt wird, falls das ermittelte Übereinstimmungsmaß den Schwellwert er¬ reicht, übertrifft oder unterschreitet.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei der Schwellwert für mehrere Nutzungszwecke der PUF (6) konfigu¬ riert wird, wobei unterschiedlichen Nutzungszwecken unterschiedliche Schwellwerte zuordenbar sind.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei im Rahmen des Vergleiches überprüft wird, ob:
a) die Response (Rl) mit der PUF-Response (PR1) ausreichend übereinstimmt; oder
b) für mehrmalige Eingabe der Challenge Information (Cl) in die PUF (6) die dadurch durch die PUF (6) erzeugten PUF- Responses (PRi) ausreichend mit der Response (Rl) überein¬ stimmen; oder
c) für mehrere Challenge-Response-Paare (CRi) , welche jeweils eine Challenge-Information (Ci) und eine zu der Challenge-
Information (Ci) zugeordnete Response-Information (Ri) umfas¬ sen, die aufgrund der Eingaben der Challenge Information (Ci) in die PUF (6) durch die PUF (6) erzeugten PUF-Responses (PRi) ausreichend mit den jeweiligen Responses (Ri) überein- stimmen.
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