In dieser Arbeit untersuchen wir, ob Physikalische Unklonbare Funktionen (PUFs) als leichtgewichtige Sicherheitsmechanismen für praktische Anwendungen im Kontext des Internets der Dinge (IdD) fungieren können. Zu diesem Zweck diskutieren wir zunächst, was eine PUF ist, und stellen fest, dass speicherbasierte PUFs am besten in den Rahmen des Internets der Dinge passen. Anschließend betrachten wir eine Reihe relevanter Designs für speicherbasierte PUFs und ihre Eigenschaften, und bewerten ihre Fähigkeit, unter nominellen und ungünstigen Bedingungen Sicherheit zu bieten. Schließlich präsentieren und bewerten wir eine Reihe praktischer PUF-basierter Sicherheitsprotokolle für IdD-Geräte und -Netzwerke, um zu zeigen, dass speicherbasierte PUFs auf praktische und leichtgewichtige Weise tatsächlich angemessene Sicherheitsmechanismen für das IdD sind.

Insbesondere betrachten wir zuerst, was eine PUF ausmachen kann, und definieren PUFs als leblose physikalische Objekte neu, deren Eigenschaften ausgenutzt werden können, um ein Verhalten zu erlangen, das einer hoch unterscheidbaren (d.h. „(ganz) einzigartigen“) mathematischen Funktion ähnlich ist. Wir stellen fest, dass PUFs viele Merkmale mit der Biometrie teilen, mit dem Hauptunterschied, dass PUFs auf den Eigenschaften lebloser Objekte basieren, während Biometrie auf den Eigenschaften von Menschen und anderen Lebewesen basiert. Wir stellen außerdem fest, dass es nicht wirklich bewiesen werden kann, dass PUFs pro Instanz einzigartig sind, aber trotzdem als solche betrachtet werden sollten, sofern (menschliche) Biometrie auch als pro Instanz einzigartig angesehen werden kann.

Anschließend diskutieren wir die Rolle von PUFs als Sicherheitsmechanismen für das IdD und ermitteln, dass speicherbasierte PUFs für diese Funktion besonders gut geeignet sind. Wir bemerken hier, dass das IdD heutzutage aus heterogenen Geräten besteht, die über verschiedene Netzwerke verbunden sind, die sowohl High-End- als auch ressourcenbeschränkte Geräte umfassen. Daher ist es wichtig, dass eine Sicherheitslösung für das IdD nicht nur effektiv, sondern auch hoch skalierbar, flexibel, leichtgewichtig und kosteneffizient ist, um als praktisch angesehen werden zu können. Zu diesem Zweck stellen wir fest, dass PUFs in der entsprechenden Arbeit als Sicherheitsmechanismen für das IdD vorgeschlagen wurden, die Praktikabilität der relevanten Sicherheitsmechanismen jedoch nicht ausreichend untersucht wurde.

Wir untersuchen daher eine Reihe von speicherbasierten PUFs, die mithilfe von kommerziellen Standardkomponenten („von der Stange“) implementiert werden, und bewerten ihr Potenzial, als akzeptable Sicherheitsmechanismen im Kontext des IdD zu dienen; nicht nur im Hinblick auf die Effektivität und Kosten, aber auch sowohl unter nominellen als auch unter ungünstigen Bedingungen wie Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung sowie in Gegenwart von (ionisierender) Strahlung. Auf diese Weise können wir bestimmen, ob speicherbasierte PUFs wirklich für die Verwendung in den verschiedenen Anwendungsbereichen des IdD geeignet sind, die sogar besonders ungünstige Umgebungen betreffen können, z.B. in IdD-Anwendungen mit Weltraummodulen und -operationen.

Schließlich untersuchen wir auch das Potenzial speicherbasierter PUFs, als angemessene Sicherheitsmechanismen für das IdD in der Praxis zu dienen, indem wir eine Reihe von kryptografischen Protokollen, die auf diesen PUFs basieren, präsentieren und analysieren. Insbesondere untersuchen wir, wie speicherbasierte PUFs für die Schlüsselgenerierung sowie die Geräteidentifikation und -authentifizierung verwendet werden können, ihre Rolle als Sicherheitsmechanismen für IdD-Geräte und -Netzwerke der aktuellen und nächsten Generation und ihr Potenzial für Anwendungen im Weltraum-Segment des IdD und in anderen ungünstigen Umgebungen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit erläutert, wie speicherbasierte PUFs für die Implementierung von leichtgewichtigen, rekonfigurierbaren PUFs verwendet werden können, die erweiterte Sicherheitsanwendungen ermöglichen. Auf diese Weise können wir bestätigen, dass speicherbasierte PUFs tatsächlich flexible, skalierbare und effiziente Sicherheitslösungen für das IdD auf praktische, leichtgewichtige, und kostengünstige Weise bereitstellen können.