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Creating Random Unknown Ciphers as Digital PUFs and their Applications

Mars, Ayoub ORCID

The thesis presents first the concept of the Secret Unknown Ciphers (SUC) introduced a decade ago as digital clone-resistant highly consistent alternative structures to the traditional PUFs. Realizing such SUCs require self-creation of digital unknown cipher-structures in a non-volatile FPGA environment without a design compiler.  This requires first creating very large classes of cryptographically strong ciphers (class size > 2500 ciphers) and then allow the FPGA to irreversibly-self-create a permanent hardware structure of one unknown selected cipher-choice out of the created class.  The thesis contribution introduces many new stream and block cipher classes based on the state-of-the-art cipher design rules for creating SUCs. The new proposed ciphers are designed to fit-optimally into the FPGA fabric cell-structure (LUTs Look up Tables) and existing spare hard-core arithmetic units and SRAM blocks.  All proposed ciphers are published and are new in the public literature. Different self-creation strategies are proposed such that the created cipher module is not known to anybody (even to the cipher designer) and do not require a design compiler for its embodiment process. Moreover, the cipher creation process should not violate any of the FPGA design rules. It is noticed that, no contemporary non-volatile FPGA devices do exist which allow our proposed self-reconfiguration mechanisms. Therefore, new technical proposals are addressing the FPGA manufacturers showing the required changes needed to allow our proposed self-creation mechanisms in future non-volatile FPGA technologies. Complexity and security of the proposed new SUCs-classes are evaluated. The thesis is concluded by showing many application use-case-scenarios of such SUCs together with the necessary generic operation protocols. 

Die Doktorarbeit präsentiert zunächst das Konzept der vor einem Jahrzehnt eingeführten Secret Unknown Ciphers (SUC) als digitale klonresistente, hochkonsistente Alternativstrukturen zu den traditionellen PUF‘s. Die Realisierung solcher SUC‘s erfordert die Eigenerstellung von digitalen unbekannten Chiffrierstrukturen in einer nichtflüchtigen FPGA-Umgebung ohne Design-Compiler.  Dies erfordert zunächst die Erstellung sehr großer Klassen von kryptografisch starken Chiffren (Klassengröße > 2500 Chiffren) und der FPGA zu ermöglichen, eine permanente Hardwarestruktur einer unbekannten ausgewählten Chiffre-Wahl aus der erstellten Klasse unwiderruflich selbständig zu erstellen.  Der Dissertatiosbeitrag präsentiert diverse neue Stream- und Block-Chiffre-Klassen, basierend auf dem Stand der Technik der Chiffredesignregeln, für die Erstellung von SUC‘s. Die neuen vorgeschlagenen Verschlüsselungen sind optimiert, um die speziellen FPGA-Fabrik-Zellstrukturen (LUTs Zuordnungstabelle) und die freien Hardcore-Arithmetik-Einheiten und SRAM-Blöcke zu nutzen.  Alle vorgeschlagenen Verschlüsselungen sind veröffentlicht und sind neu in der Fachliteratur. Verschiedene Selbsterstellungsstrategien werden vorgeschlagen, sodass das erstellte Chiffriermodul niemandem, auch nicht dem Chiffrierdesigner, bekannt ist, und keinem Design-Compiler für seinen Einbettungsprozess benötigt wird. Darüber hinaus sollte der Prozess der Chiffreneinbettung keine der FPGA-Designregeln verletzen. Es wird bemerkt, dass es noch keine modernen nichtflüchtigen FPGA-Bausteine gibt, die die von uns vorgeschlagenen Selbstrekonfigurationsmechanismen erlauben. Daher richten sich die neuen technischen Anforderungen an die FPGA-Hersteller und zeigen die notwendigen Änderungen auf, die erforderlich sind, um unsere vorgeschlagenen Selbsterstellungsmechanismen in zukünftigen nichtflüchtigen FPGA-Technologien zu ermöglichen. Komplexitäten sowie die Sicherheitsgrade der vorgeschlagenen neuen SUC-Klassen wurden evaluiert. Die Dissertation wird mit einer Vorstellung vieler Anwendungsfälle solcher SUC‘s zusammen mit den notwendigen generischen Operationsprotokollen abgeschlossen.

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