基于PUF的轻量级两方认证与会话密钥交换协议

"本文提出了一种基于物理不可克隆功能(Physical Unclonable Function, PUF)的两方认证与会话密钥交换协议，适用于拥有PUF实体的密码设备与服务器之间的安全通信。协议使用模糊提取器进行认证和密钥提取，结合伪随机函数和异或加密确保消息认证和数据加密的安全性，降低了执行成本。通过仅存储一条PUF的激励-响应信息，服务器避免了大量存储需求和潜在的数据泄露风险。该协议能抵御多种攻击，包括窃听、篡改、中间人、拒绝服务、建模和物理探测攻击。" 在当前的网络安全环境中，传统的嵌入式设备依赖于公知的加密算法和非易失性存储器(NVM)中的数字密钥来保障安全。然而，由于物理攻击技术的进步，这些密钥的安全性受到了挑战。PUF作为一种新兴的技术，利用每个器件独一无二的物理特性来生成不可预测且难以复制的密钥，成为了提升安全性的新方法。 本文介绍的协议旨在解决如何利用PUF进行安全的两方认证和会话密钥交换问题。协议的核心是模糊提取器，它能够从PUF的响应中稳定地提取密钥，即使在不同的环境下也能保持一致性。同时，协议利用伪随机函数增加密钥的复杂性和安全性，并通过异或操作加密通信数据，防止未经授权的访问和篡改。 协议设计的一个关键优点是效率。服务器只需存储一个PUF的激励-响应对，即可进行后续的密钥更新和交换，大大减少了存储资源的需求。这同时也减少了由于收集大量激励-响应对可能引发的数据泄露风险。 此外，协议的安全性经过了深入分析，证明了其能够抵御多种攻击策略。例如，通过双向认证，协议防止了假冒身份的攻击；通过消息认证，它可以检测并阻止篡改尝试；通过密钥交换机制，它能抵抗中间人攻击；通过设计，它还能够抵御拒绝服务(DOS)攻击，以及针对PUF特性的建模攻击和物理探测攻击。 该协议为物联网(IoT)和嵌入式系统的安全通信提供了一个实用且高效的解决方案，尤其适用于资源受限的设备，如传感器节点或移动设备，它们在保持安全的同时，需要最小化计算和存储的开销。这种基于PUF的协议对于构建更加安全的未来网络环境具有重要的理论和实践意义。