Нанокриптография не оставит шансов взломщику

Большинство криптографических методов защищают важную информацию благодаря использованию сложного программного обеспечения и, в результате, потребляют значительное количество энергии. Число гаджетов и подключенных к интернету устройств растет по экспоненте, поэтому пришло время задуматься об альтернативных методах защиты с низким энергопотреблением. Криптография микроскопических размеров на основе "железа" не транжирит электричество из сети, а еще она невероятно надежна, по сравнению с шифрованием через классический софт.

Один из многообещающих подходов к защите основан на расчете криптографических ключей, которые произвольно возникают при фабричном производстве в любом физическом устройстве, чьи размеры исчисляются в нанометрах. Для произвольного создания ключа используется физическая неклонируемая функция PUF. Это такое уникальное правило, формула или зависимость, воплощенная в физической структуре и состоящая из множества случайных компонентов. Функцию легко увидеть, считать и использовать, но почти невозможно повторно смоделировать или воспроизвести. Таким образом, PUF-система порождает уникальный, но непредсказуемый ответ, а вместе они, вызов и ответ, создают пару - запрос-подтверждение. Настоящая находка для криптографов, ведь даже широко известная хэш-функция для защиты данных совсем не идеальна и может быть расшифрована.

Беспорядочность в PUF-системах создается внешними и внутренними факторами. Самый наглядный пример - кусочек стекла, в котором случайным образом распределены светоотражающие объекты, к примеру, застывшие пузырьки воздуха. Если взять лазерный луч и направить его через стекло, то появится уникальная интерференционная картина или спекл-структура, которая образуется при случайном взаимодействии когерентных волн. Каждая из этих волн сдвинута по фазе относительного другой и обладает своей интенсивностью. Спекл-картина и есть простейшая PUF-функция физической структуры, возникающая от произвольных сочетаний длины волны лазера и угла падения луча на светоотражающие объекты.

Взломщик криптозащиты никогда не сможет повторить спекл-структуру, так как рассеивающийся в стекле свет маскирует положение пузырьков воздуха. Современные технологии позволяют изучить микроструктуру материала, но только до глубины в десять раз большей, чем длина волны излучения. Даже если хакеру удастся узнать точное местоположение светоотражающих объектов, он не сможет сделать точную физическую копию стекла, потому что принцип неопределенности помешает правильно расположить все частицы и пузырьки воздуха на своих местах. Казалось бы, зачем заморачиваться и воспроизводить реальную структуру стекла, а потом светить через нее лазером, если можно смоделировать все вызовы и ответы с помощью алгоритма? Но сейчас, в режиме реального времени, это потребует 10^20 степени операций, что просто невозможно при существующем уровне развития вычислительной техники.

Классические примеры кремниевых PUF-систем с внутренней неупорядочностью - полевые транзисторы и проводники. В них случайным образом возникают задержки, после того как их подключают в электрическую цепь и наблюдают с каким запозданием пришел сигнал. Специальный компонент назначают "арбитром" и его задача решить, кто из сигналов пришел первым в этой своеобразной гонке. Электроимпульсу-"победителю" присваивают "1", а "проигравшему" - 0. То есть происходит традиционное преобразование в код на основе вариаций от случайных физических состояний чипа. Примерно похожим образом PUF-функция создается в интегральных микросхемах, которые массово штампуются на фабрике и обладают неповторяющимся набором электрических характеристик. Эти уникальные параметры, которые невозможно скопировать, могут быть использованы в системах безопасности.

Однако криптография на основе PUF-функции от физических структур страдает от суровых условий окружающей среды. Ключи основаны на различных вариациях электрических сигналов, а на те, в свою очередь, влияют внешние факторы - температура и радиация, которые могут значительно исказить криптографический ключ и считать его будет невозможно.

В новом научном докладе, опубликованном ACS Nano, южнокорейские ученые из университета KAIST в соавторстве с исследователями из лабораторий компании Samsung рассказали о новом суперстабильном типе PUF-устройств, которым не страшны окружающие условия благодаря удивительному свойству - "слипанию".

Обычно, слипание - негативный фактор при производстве микроэлектронных систем и компонентов на основе нанотехнологий, так как после прилипания наночастиц к друг другу их размеры увеличиваются до макроуровня и задуманный инженерами процесс в электронном устройстве становится просто невозможным. В своей работе исследователи сделали "слипание" преимуществом, которое помогает сильному капиллярному эффекту работать на благо криптографии. Природные силы заставляют кремниевые нановолокна в физическом устройстве случайным образом двигаться в одном из двух направлений. Те частицы, которые прилипают к одной стороне своеобразного шлюза, получают состояние "0", а другие, на второй стороне, - состояние "1". Вторая сила, межатомное взаимодействие Ван-дер-Ваальса, удерживает все эту физическую систему нановолокон в стабильном состоянии после их распределения в разные стороны.

Исследователи наглядно продемонстрировали, что сил прилипания достаточно для противостояния высоким температурам, сильным дозам радиации и электромагнитным волнам любой частоты. Ученые смогли с помощью комбинации отдельных устройств с симметричной структурой наночастиц создать 288-битный массив, в котором после опытов не был потерян ни один бит. Благодаря высокой степени надежности нового криптографического ключа подобные приборы могут использоваться в первую очередь в военной и аэрокосмической технике, подвергающейся воздействию космического излучения.

Наноустройства-переключатели на основе PUF-функции предлагают два уникальных преимущества: высокую стабильность во время работы и быстрый запуск в производство. Самое интересно, что улучшить криптошифрование позволяет давняя проблема при создании нанокомпонентов - слипание. В будущем ученые планируют улучшить свое изобретение и повысить степень защиты на основе дублирующихся криптографических ключей. Также, один из дальнейших шагов, преобразование метода шифрования: сейчас применяется двоичный код, но для повышения точности без увеличения размера массива наноустройств будут внедрять четвертичное кодирование ('00','01','10','11').