Fiziksel klonlanamaz fonksiyonlar yardımıyla anahtar üretimi ve lisans doğrulama

Sahtecilik faaliyetleri global ekonomi için büyük bir tehdittir. Klonlama, istek fazlası üretim, kurcalama (tampering), tersine mühendislik başlıca sahtecilik yöntemlerindendir. Lisansız kullanılan veya sahte ürünler birçok firmanın ekonomisine ve marka değerine büyük zararlar vermektedir. Özellikle askeri uygulamalar ile havacılık ve tıp elektroniği uygulamalarında yapılan sahtecilik faaliyetlerinin ölümcül sonuçları olabilmektedir. Sahtecilik faaliyetlerini engellemek için güçlü kriptografik protokollere ve güvenli tanımlama bilgilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Fiziksel klonlanamaz fonksiyonlar (PUF) içlerinde çalıştıkları fiziksel ortama özel değerler üretmeleri ve kopyalanamaz olmaları sayesinde güvenli tanımlama bilgilerinin üretilmesinde kullanılabilirler. Bu yapılarla daha güçlü yetkilendirme protokolleri oluşturularak elektronik tasarımların güvenliği arttırılabilir. Günümüzdeki kriptografik sistemlerin birçoğunda kullanılan anahtarlar ve diğer tanımlama bilgileri bir bellek üzerinde saklanır. Bu gibi kritik bilgilerin sistem içerisinde sürekli varolması zaman zaman güvenlik zaafiyeti oluşturmaktadır. Ayrıca anahtarların üretilmesi ve dağıtılması da sistem güvenliği açısından son derece kritiktir. PUF gibi gerektiği zaman sonucu kolayca okunabilen ve kullanıldığı donanıma özgü çıkış veren fonksiyonlar gerek anahtarın üretilmesi problemine gerekse anahtarın sürekli saklanması problemine karşılık çözüm üretebilirler. Fakat PUF'lar çevresel etkiler ve elektronik gürültü gibi sebeplerle tekrar tekrar okunduklarında çoğu zaman aynı çıkışı veremezler. Kriptografik uygulamalarda kullanılan anahtarlarda hatalı verinin olmaması gerekir. Bu nedenle PUF'lar üzerinde hata giderme işlemi yapılması gerekmektedir. Hata giderme işlemi için sayısal haberleşme sistemlerinde uzun zamandır kullanılan hata düzeltme kodlarının kullanılması (error correction codes) önerilmiştir. Hata düzeltme kodları ile hatasız PUF verileri elde edebilmek için elde edilmek istenen hatasız bit sayısından çok daha fazla PUF bitine ihtiyaç duyulmaktadır. PUF ve hata giderme sisteminin kapladığı alanın bunlarla gerçeklenecek sistemlerin geri kalanını baskı altına alacak şekilde büyük olmaması istenmiştir. Bu nedenle seçilecek PUF yapısının az alanda çok sayıda bit sağlaması istenmektedir. Çalışma kapsamında FPGA platformu üzerinde PUF hataları giderilerek anahtar üretimi gerçeklenmiş ve bu anahtarı kullanan bir lisans doğrulama protokolü oluşturulmuştur. FPGA üzerinde gerçeklemeye uygun olması bakımından halka osilatörlü PUF (RO-PUF) yapısı seçilmiştir. Standart halka osilatörlü PUF yapısı daha az alandan daha fazla bit alabilmek amacıyla yeniden konfigure edilebilir halka osilatörlü PUF yapısına çevrilmiştir. Ayrıca sayıcı çıkışları üzerinde Lehmer ve Gray kodlama yapılmıştır. Hata düzeltme kodu olarak kodlayıcı ve kod çözücüsünün kolay tasarlanabilmesi bakımından birinci derece Reed Muller kodları kullanılmıştır. Elde edilen hatasız PUF bitleri bir LFSR tabanlı Toeplitz özet fonksiyonundan geçirilerek 128 bitlik anahtar elde edilmiştir. Elde edilen anahtar ile bir lisans doğrulama sistemi (dongle) tasarlanmıştır. Buna göre bir IP veya ürün bu lisans doğrulama sistemi ile iletişime geçerek kendisinin lisanslı olup olmadığını kontrol edebilmekte eğer doğru dongle takılı değil ise çalışmamaktadır. Sistemin güvenliği için kritik olan anahtarın dongle dışına çıkmamasını sağlamak üzere bu sistemde RSA açık anahtar kriptografisi tercih edilmiştir. RSA anahtarlarının bazı koşulları sağlaması gerektiğinden PUF çıkışından elde edilen 128 bitlik değer doğrudan anahtar olarak kullanılamamıştır. Bu nedenle PUF çıkışlarından açık ve gizli RSA anahtarlarını üreten bir anahtar üretici blok tasarlanmıştır. Ayrıca RSA şifreleme, şifre çözme, imzalama ve doğrulama işlemlerini gerçekleyen bloklar tasarlanmıştır. Tüm RSA sistemleri yazılımsal olarak gerçeklenmiştir. Platform olarak Microblaze işlemcisi ve büyük sayılarla yapılan işlemler için BigDigits kütüphanesi kullanılmıştır. Çalışma sonunda FPGA platformu üzerinde çalışan PUF tabanlı bir anahtar üretici sistem ve bu sistemi kullanan bir lisans doğrulama sistemi elde edilmiştir.