Fyzicky neklonovatelné funkce na platformě ESP32

Abstract

Tato práce zkoumá možnost implementace fyzicky neklonovatelné funkce (PUF) na základě statické paměti (SRAM) na mikrokontroléru ESP32. Nejprve je provedena rešerše o problematice PUF se zaměřenim na SRAM PUF. Také jsou popsány vlastnosti SRAM PUFu. Jsou představeny dvě metody kontroly napájeni SRAM paměti. Pro obě je provedena analýza chováni neinicializovaných SRAM dat dle operačni teploty a doby vypnuti. Na základě těchto výsledků je posouzena vhodnost jejich využiti. Poté je představena implementace SRAM PUFu se spolehlivou rekonstrukci odpovědi. Dvě různé metody výběru stabilnich bitů a opakovaci samoopravný kód jsou použity ke stabilizaci odpovědi. Tato implementace kombinuje obě představené metody kontroly napájeni paměti, cimž dosahuje rychlejši a spolehlivějši extrakce odpovědi. Testováni spolehlivosti odhalilo, že je možné dosáhnout 100 % úspěšnosti rekonstrukce odpovědi při teplotách od -40 do +70 °C. Tyto odpovědi je možné použit jako kryptografické kliče k zabezpečeni ESP32. Nakonec je tento návrh SRAM PUFu implementován jako snadno použitelná ESP32 knihovna.

This thesis analyzes the possibility of implementing a static random access memory (SRAM) physical unclonable function (PUF) on the ESP32 microcontroller. First, literature research on the topic of PUFs is provided with focus on SRAM PUFs. A discussion on which properties the SRAM PUFs possess is presented. Two power-control methods of SRAM memory on the ESP32 are proposed. An analysis of behavior of startup SRAM bit values depending on operating temperature and power-off time is conducted for both methods. Their suitability for the PUF implementation is discussed based on the experimental results. Then, an implementation of SRAM PUF with stable response reconstruction is presented. Two different bit preselection methods are tested and a simple repetition error correction code (ECC) is used to stabilize the responses. The presented PUF design combines the two power-control methods to achieve faster and more reliable response extraction. Reliability testing revealed that it is possible to reach 100 % success rate of response reconstruction across the temperature range of -40 to +70 °C. The responses can be used as cryptographic keys to secure the ESP32 platform. Finally, the proposed PUF design is implemented in an easy-to-use ESP32 library.