Φωτονικές τεχνολογίες για την ασφαλή διαχείριση δεδομένων
Authors: Ακριώτου Μαριαλένα 
Published: May 2024

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο «Φωτονικές τεχνολογίες για την ασφαλή διαχείριση Δεδομένων» διερευνήθηκε η χρήση των φωτονικών μη-κλωνοποιήσιμων φυσικών συναρτήσεων (Physical Unclonable Functions - PUF), ως κεντρικά στοιχεία για την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς συστημάτων, τα οποία θα επιτρέπουν την παραγωγή κρυπτογραφικών κλειδιών «τη αιτήσει» και σε πραγματικό χρόνο. Η διερεύνηση αυτή κινήθηκε σε 3 βασικούς άξονες: Ο πρώτος άξονας αφορούσε στη μελέτη υλικών και τεχνικών για τον εντοπισμό του βέλτιστου συνδυασμού αυτών που επιτυγχάνει τις μέγιστες επιδόσεις ασφάλειας ενός τέτοιου συστήματος. Ο δεύτερος εστιάστηκε στην εξέταση της αξιοπιστίας των εν λόγω υλικών και τεχνικών καθόσον αφορά στην σταθερότητα τους σε περιβαλλοντικούς παράγοντες και στην ανθεκτικότητά τους σε υπολογιστικές επιθέσεις. Τέλος ο τρίτος άξονας επικεντρώθηκε στην συγκριτική αξιολόγηση των επιδόσεών τους, η οποία πραγματοποιήθηκε με αλγόριθμους επεξεργασίας και ανάλυσης πειραματικών δεδομένων και με μεθόδους προσομοίωσης των σχετικών φαινομένων.Αναλυτικότερα, στο παρόν πόνημα αρχικά παρουσιάζεται το αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε για την προσομοίωση των φυσικών διεργασιών που διέπουν την πλειοψηφία των φωτονικών PUFs. Το εν λόγω αριθμητικό μοντέλο, το οποίο βασίζεται κυρίως στην βαθμωτή θεωρία για την περίθλαση και στην κλασσική θεωρία των speckle patterns, χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για τον σχεδιασμό όλων των πειραματικών διατάξεων που υλοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής και για την εκτίμηση της αναμενόμενης απόδοσής τους. Κατόπιν, περιγράφεται η υπολογιστική διαδικασία που αναπτύχθηκε για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, μέσω των οποίων επιτεύχθηκε η εξαγωγή των ζητούμενων κρυπτογραφικών κλειδιών από τις διαθέσιμες αποκρίσεις εκάστης διάταξης. H υπολογιστική αυτή διαδικασία περιλαμβάνει διάφορες τεχνικές επεξεργασίας σήματος και συναρτήσεις κατακερματισμού εικόνων (Hash Functions), οι οποίες, σε συνδυασμό με έναν κώδικα διόρθωσης λαθών (Error Correction Code - ECC) που χρησιμοποιείται στα πλαίσια ενός ασαφούς εξαγωγέα (Fuzzy Extractor), οδηγούν σε τυχαίες και απαλλαγμένες από σφάλματα, που προκαλούνται λόγω του αναπόφευκτου θορύβου παρατήρησης, δυαδικές ακολουθίες. Τέλος, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τρεις διαφορετικές διατάξεις φωτονικών PUFs, οι οποίες υλοποιήθηκαν με σκοπό να δοκιμαστούν τρεις εναλλακτικές μέθοδοι παραγωγής διεγέρσεων και δύο διαφορετικά υποψήφια υλικά. Από τα εν λόγω πειραματικά αποτελέσματα αξιολογήθηκαν και τα κυριότερα χαρακτηριστικά ασφαλείας κάθε διάταξης, τα οποία αφορούν στην ευρωστία (Robustness), στην φυσική μη - κλωνοποιησιμότητα (Physical Unclonability) και στην φυσική μη - προβλεψιμότητα (Physical Unpredictability) των παραγόμενων κλειδιών τους. Εν κατακλείδι, προϊόν της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι μιας πλήρως αξιόπιστη φωτονική PUF, βασικός πυρήνας της οποίας αποτελεί ένας συμβατικός οπτικός διαχύτης. Η εν λόγω PUF, η οποία χρησιμοποιεί ένα Digital Micromirror Device (DMD) για την παραγωγή των απαιτούμενων διεγέρσεων εξάγει δυαδικές ακολουθίες με πειραματικά αποδεδειγμένη επαναληψιμότητα που ξεπερνά τον έναν μήνα συνεχούς λειτουργίας και κρυπτογραφικής ασφάλειας έγκυρα πιστοποιημένης μέσω των ευρέως αποδεκτών ελέγχων τυχαιότητας του NIST. Τα ευρήματα μάλιστα των δραστηριοτήτων που οδήγησαν στην υλοποίηση αυτή εκτιμάται ότι προσδιορίζουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις κυριότερες προδιαγραφές για την σχεδίαση ενός ολοκληρωμένου εργαστηριακού πρωτοτύπου μιας φωτονικής PUF. Η βιομηχανοποίηση του πρωτοτύπου αυτού αναμένεται να υποσκελίσει, σε επιδόσεις ασφαλείας, τις ήδη διαθέσιμες συμβατικές γεννήτριες τυχαίων αριθμών (Random Number Generator - RNG), καθώς δύναται να οδηγήσει σε φορητές, χαμηλού κόστους και άμεσης εμπορικής εκμετάλλευσης συσκευές.