Practical Lightweight Security
Authors: Αναγνωστόπουλος Νικόλαος-Αθανάσιος 
Published: July 2023

Σε αυτήν την εργασία, εξετάζουμε εάν οι Μη Κλωνοποιήσιμες Φυσικές Συναρτήσεις (ΜΚΦΣ) μπορούν να λειτουργήσουν ως μηχανισμοί ασφαλείας που δεν απαιτούν πολλούς υπολογιστικούς πόρους, για πρακτικές εφαρμογές στο πλαίσιο του Διαδικτύου των Πραγμάτων (ΔτΠ). Για αυτόν τον σκοπό, συζητάμε πρώτα τι είναι οι ΜΚΦΣ και σημειώνουμε ότι οι ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών φαίνεται να ταιριάζουν καλύτερα στο πλαίσιο του ΔτΠ. Στη συνέχεια, εξετάζουμε κάποια σχετικά μοντέλα ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών, καθώς και τις ιδιότητές τους, και αξιολογούμε την ικανότητά τους να παρέχουν ασφάλεια τόσο υπό κανονικές όσο και υπό αντίξοες συνθήκες. Τέλος, παρουσιάζουμε και αξιολογούμε μια σειρά από πρακτικά πρωτόκολλα ασφαλείας που βασίζονται στις ΜΚΦΣ, για συσκευές και δίκτυα που χρησιμοποιούνται στο ΔτΠ, προκειμένου να επιβεβαιώσουμε ότι οι ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών μπορούν πράγματι να αποτελέσουν επαρκείς μηχανισμούς ασφαλείας για το ΔτΠ στην πράξη, χωρίς να απαιτούν σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζουμε πρώτα τι μπορεί να αποτελεί μία ΜΚΦΣ και επαναπροσδιορίζουμε τις ΜΚΦΣ ως άψυχα φυσικά αντικείμενα των οποίων τα χαρακτηριστικά μπορούν να αξιοποιηθούν προκειμένου να ληφθεί μια συμπεριφορά παρόμοια με μια εξαιρετικά διακριτή (δηλαδή, «(αρκετά) μοναδική») μαθηματική συνάρτηση. Σημειώνουμε ότι οι ΜΚΦΣ μοιράζονται πολλά χαρακτηριστικά με τα βιομετρικά δεδομένα, με κύρια διαφορά ότι οι ΜΚΦΣ βασίζονται στα χαρακτηριστικά των άψυχων αντικειμένων, ενώ τα βιομετρικά δεδομένα βασίζονται στα χαρακτηριστικά των ανθρώπων και άλλων ζωντανών πλασμάτων. Σημειώνουμε επίσης ότι δεν μπορεί πραγματικά να αποδειχθεί ότι οι ΜΚΦΣ είναι μοναδικές σε κάθε περίπτωση, αλλά θα πρέπει να θεωρείται ότι είναι έτσι, στο βαθμό που τα (ανθρώπινα) βιομετρικά θεωρούνται επίσης μοναδικά ανά περίπτωση. Στη συνέχεια, προχωράμε στη μελέτη του ρόλου των ΜΚΦΣ ως μηχανισμών ασφαλείας για το ΔτΠ και προσδιορίζουμε ότι οι ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για αυτήν τη λειτουργία. Παρατηρούμε ότι το ΔτΠ στις μέρες μας αποτελείται από ετερογενείς συσκευές συνδεδεμένες σε διαφορετικά δίκτυα, τα οποία περιλαμβάνουν συσκευές τόσο προηγμένης τεχνολογίας όσο και περιορισμένων πόρων. Επομένως, είναι σημαντικό μια λύση ασφαλείας για το ΔτΠ να μην είναι μόνο αποτελεσματική, αλλά και εξαιρετικά επεκτάσιμη, ευέλικτη, οικονομικά αποδοτική και να μην απαιτεί σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους, προκειμένου να θεωρηθεί πρακτική. Για αυτόν τον σκοπό, σημειώνουμε ότι οι ΜΚΦΣ έχουν προταθεί ως μηχανισμοί ασφάλειας για το ΔτΠ στη σχετική βιβλιογραφία, αλλά η πρακτικότητα των σχετικών μηχανισμών ασφαλείας δεν έχει μελετηθεί επαρκώς. Επομένως, εξετάζουμε μια σειρά από ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών, οι οποίες έχουν υλοποιηθεί χρησιμοποιώντας συσκευές που είναι ευρέως διαθέσιμες στο εμπόριο, και αξιολογούμε την ικανότητα τους να χρησιμοποιηθούν ως αποδεκτοί μηχανισμοί ασφάλειας στο πλαίσιο του ΔτΠ, όχι μόνο από την πλευρά της αποτελεσματικότητας και του κόστους, αλλά και κατά την χρήση τους τόσο υπό κανονικές όσο και υπό αντίξοες συνθήκες, παραδείγματος χάριν, κατά την διάρκεια διακυμάνσεων της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος τους και της τάσης τροφοδοσίας τους, καθώς και κατά την ακτινοβόληση τους με ιονίζουσα ακτινοβολία. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να προσδιορίσουμε εάν οι ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών είναι πραγματικά κατάλληλες για χρήση στα διάφορα περιβάλλοντα που βρίσκει εφαρμογή το ΔτΠ, τα οποία μπορεί να περιλαμβάνουν ακόμα και ιδιαίτερα δυσμενή περιβάλλοντα, π.χ. σε εφαρμογές του ΔτΠ σχετικές με διαστημικές μονάδες, δραστηριότητες και συσκευές. Τέλος, διερευνούμε επίσης τη δυνατότητα των ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών να χρησιμεύσουν ως επαρκείς μηχανισμοί ασφάλειας για το ΔτΠ στην πράξη, παρουσιάζοντας και αναλύοντας κάποια κρυπτογραφικά πρωτόκολλα που βασίζονται σε αυτές τις ΜΚΦΣ. Συγκεκριμένα, μελετάμε πώς οι ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία κρυπτογραφικών κλειδιών, καθώς και για την αναγνώριση μιας συσκευής και τον έλεγχο της ταυτότητάς της, τον ρόλο τους ως μηχανισμών ασφαλείας τόσο για την τρέχουσα όσο και για την επόμενη γενιά συσκευών και δικτύων που χρησιμοποιούνται στο ΔτΠ, καθώς και τις δυνατότητές τους για εφαρμογές στο τμήμα του ΔτΠ που σχετίζεται με το διάστημα και άλλα δυσμενή περιβάλλοντα. Επιπλέον, αυτή η εργασία συζητά επίσης πώς οι ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση ΜΚΦΣ με δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης, οι οποίες να επιτρέπουν προηγμένες εφαρμογές ασφαλείας και να απαιτούν μόνο περιορισμένους υπολογιστικούς πόρους. Με αυτόν τον τρόπο, είμαστε σε θέση να επιβεβαιώσουμε ότι οι ΜΚΦΣ που βασίζονται σε μνήμες υπολογιστών μπορούν πράγματι να παρέχουν ευέλικτες, επεκτάσιμες και αποτελεσματικές λύσεις ασφάλειας για το ΔτΠ, με πρακτικό και φθηνό τρόπο, χωρίς να απαιτούν σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους.