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http://hdl.handle.net/10773/32114
Title: | Photonic implementation of physically unclonable functions |
Other Titles: | Implementação fotónica de funções fisicamente não clonáveis |
Author: | Silvério, Tiago Filipe Santos |
Advisor: | André, Maria Rute de Amorim e Sá Ferreira André, Paulo Sérgio de Brito |
Keywords: | Optical physically unclonable functions Cryptographic systems Optical coherent speckle pattern Internet of things Anticounterfeiting Organic-inorganic hybrids |
Defense Date: | 22-Jul-2021 |
Abstract: | This dissertation aimed to study and develop optical Physically
Unclonable Functions, which are physical devices characterized by
having random intrinsic variations, thus being eligible towards high security
systems due to their unclonability, uniqueness and randomness.
With the rapid expansion of technologies such as Internet of Things
and the concerns around counterfeited goods, secure and resilient
cryptographic systems are in high demand. Moreover the development
of digital ecosystems, mobile applications towards transactions now
require fast and reliable algorithms to generate secure cryptographic
keys. The statistical nature of speckle-based imaging creates an
opportunity for these cryptographic key generators to arise.
In the scope of this work, three different tokens were implemented
as physically unclonable devices: tracing paper, plastic optical fiber
and an organic-inorganic hybrid. These objects were subjected to
a visible light laser stimulus and produced a speckle pattern which
was then used to retrieve the cryptographic key associated to each
of the materials. The methodology deployed in this work features
the use of a Discrete Cosine Transform to enable a low-cost and
semi-compact 128-bit key encryption channel. Furthermore, the
authentication protocol required the analysis of multiple responses
from different samples, establishing an optimal decision threshold level
that maximized the robustness and minimized the fallibility of the
system. The attained 128-bit encryption system performed, across
all the samples, bellow the error probability detection limit of 10-12,
showing its potential as a cryptographic key generator. Nesta dissertação pretende-se estudar e desenvolver Funções Fisicamente Não Clonáveis, dispositivos caracterizados por terem variações aleatórias intrínsecas, sendo, portanto, elegíveis para sistemas de alta segurança devido à sua impossibilidade de clonagem, unicidade e aleatoriedade. Com a rápida expansão de tecnologias como a Internet das Coisas e as preocupações com produtos falsificados, os sistemas criptográficos seguros e resilientes são altamente requisitados. Além disso, o desenvolvimento de ecossistemas digitais e de aplicações móveis para transações comerciais requerem algoritmos rápidos e seguros de geração de chaves criptográficas. A natureza estatística das imagens baseadas no speckle cria uma oportunidade para o aparecimento desses geradores de chaves criptográficas. No contexto deste trabalho, três dispositivos diferentes foram implementados como funções fisicamente não clonáveis, nomeadamente, papel vegetal, fibra ótica de plástico e um híbrido orgânico-inorgânico. Estes objetos foram submetidos a um estímulo de luz coerente na região espectral visível e produziram um padrão de speckle o qual foi utilizado para recuperar a chave criptográfica associada a cada um dos materiais. A metodologia implementada neste trabalho incorpora a Transformada Discreta de Cosseno, o que possibilita a criação de um sistema criptográfico de 128 bits caracterizado por ser semi-compacto e de baixo custo. O protocolo de autenticação exigiu a análise de múltiplas respostas de diferentes Physically Unclonable Functions (PUFs), o que permitiu estabelecer um nível de limite de decisão ótimo de forma a maximizar a robustez e minimizar a probabilidade de erro por parte do sistema. O sistema de encriptação de 128 bits atingiu valores de probabilidade de erro abaixo do limite de deteção, 10-12, para todas as amostras, mostrando o seu potencial como gerador de chaves criptográficas. |
URI: | http://hdl.handle.net/10773/32114 |
Appears in Collections: | UA - Dissertações de mestrado DFis - Dissertações de mestrado |
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