There are rapidly growing concerns about security of hardware implementing cryptographic algorithms. A compromised device can potentially be used as an entry point for cyberattacks on other devices connected to the network, as evidenced by the recent Spectre and Meltdown CPU bugs. The attack surface of future mobile networks with billions of connected devices will be enormous. This brings a need for new methods for designing secure hardware that constrain the hardware attack surface and protect against classes of attacks that exploit hardware vulnerabilities. Physical Unclonable Functions (PUFs) have been proposed as a low-cost cryptographic primitive suitable for resource-constrained IoT devices. PUFs can be applied to uniquely identify a hardware device and to protect it against counterfeiting and tampering. In this thesis, we show how PUFs can be used for verifying physical proximity of two objects, e.g. a SIM card and a mobile phone. This makes possible checking if a SIM card is indeed located in a mobile phone in order to prevent subscription fraud. The key idea is to decompose a PUF into two parts and to place these parts into the two objects so that only when the objects are physically close to each other the composed PUF computes a correct response to a given challenge. Due to the uniqueness of the PUF responses for a given chip, a correct response provides assurance on the authenticity of two objects as well as their physical proximity. We present an FPGA prototype of the proposed PUF-based physical proximity verification method and discuss it advantages and disadvantages.

Det finns en snabbt växande oro för säkerheten med hårdvara som implementerar kryptografiska algoritmer. En komprometterad enhet kan användas som ingång för en cyberattack på andra enheter anslutna till samma nätverk, vilket nyligen bevisades av CPU-buggarna Specter och Meltdown. Med framtidens mobilnät ökar attackytan enormt då antalet anslutna enheter till ett nätverk kan uppgå till miljarder. Nya metoder behövs för att utforma säker hårdvara som begränsar attackytor och som skyddar mot attacker som utnyttjar sårbarheter i hårdvara. Fysiskt oklonbara funktioner (PUFs, eng. Physical UnclonableFunctions) har föreslagits som en kostnadseffektiv kryptografisk metod lämplig för billiga IoT-enheter. PUF kan användas till att unikt identifiera hårdvara och skydda den mot förfalskning och manipulering. I denna avhandling visar vi hur PUF kan användas för att verifiera att två objekt befinner sig nära varandra, t.ex. ett SIM-kort och en mobiltelefon. Detta gör det möjligt att kontrollera att ett SIM-kort faktiskt finns i en mobiltelefon för att förhindra abonnemangsbedrägerier. Grundtanken är att dela en PUF i två delar och placera de två delarna i varsitt objekt så att först när objekten är fysiskt nära varandra ger de sammansatta PUF-delarna ett korrekt svar på en given utmaning. Eftersom PUF-svaren är unika för ett specifikt chip ger ett korrekt svar en försäkran om de två objektens äkthet samt att de befinner sig fysiskt nära varandra. Vi presenterar en FPGA-prototyp med den föreslagna PUF-baserade fysiska avståndsverifieringsmetoden och diskuterar dess för- och nackdelar.