In dieser Arbeit untersuchen wir die Möglichkeit, kryptographische Primitive auf Physikalisch Unkopierbare Funktionen (PUF) zu gründen. Ein PUF ist ein Stück Hardware, welches als Zufallsquelle angesehen werden kann. Wird ein PUF durch einen physikalischen Stimulus angeregt, so antwortet er mit einer verrauschten Ausgabe. PUFs sind nicht vorhersehbar, sodass es unmöglich sein sollte, ohne physische Auswertung des PUFs, die entsprechende Ausgabe vorherzusagen, selbst bei einem gewählten und vorgegebenen Stimulus. Außerdem sind PUFs nicht kopierbar, was soviel bedeutet, dass, selbst wenn alle Komponenten des Systems bekannt sind, es berechnungsmäßig un- möglich ist, ihr Verhalten zu modellieren. Im Zuge dieser Arbeit diskutieren wir PUFs im Rahmen ihrer Implementierung, ihrer mathematischen Beschreibung, sowie ihrer Verwendung als kryptographisches Primitiv und in kryptographischen Protokollen.

Zunächst geben wir einen Überblick über die prominentesten PUF Konstruktionen, um anschließend ein geeignetes mathematisches PUF Modell abzuleiten. Es stellt sich heraus, dass dies eine nicht-triviale Aufgabe ist, da nicht sicher ist, welche gemeinsamen Sicherheitseigenschaften aufgrund der zahlreichen PUF Implementierungen im Allgemeinen notwendig und erreichbar sind.

Als nächstes betrachten wir PUFs in Sicherheitsanwendungen. Aufgrund der PUF Eigenschaften eignen sich diese Hardwarestücke gut dazu, Authentifizierungsprotokolle basierend auf Challenge/Response-Paaren zu bauen. Ist die Anzahl der potenziellen PUF-basierten Challenge/Response-Paaren groß genug, so kann ein Angreifer nicht alle PUF Antworten messen. Somit wird ein Angreifer höchstwahrscheinlich nicht in der Lage sein, die Herausforderung der fragenden Partei zu beantworten, auch wenn er für eine kurze Zeit den physischen Zugriff auf den PUF hatte. Wir zeigen hingegen, dass bereits vorgeschlagenen Protokolle nicht vollständig in dem Angreifermodell sicher sind, in dem der Gegner genau für eine kurze Zeit physische Kontrolle über den PUF und das entsprechende Lesegerät hat.

Zum Abschluß analysieren wir zum ersten Mal PUFs im Universally Composable (UC) Modell. Obwohl Hardwarestücke zuvor in dem UC Modell betrachtet worden sind, unterscheidet sich das Designen von PUF-basierten Protokollen grundlegend von anderen Ansätzen, die auf Hardwarestück basieren. Ein Grund dafür ist, dass der Hersteller des PUFs ein physisches Objekt herstellt, welches pseudozufällige Werte ausgibt, jedoch keinen spezifischen Code ausgeführt. Tatsächlich ist das funktionale Verhalten des PUF auch für den PUF Fabrikanten unvorhersehbar. Somit hat nur die Partei im Besitz des PUFs vollen Zugang zu den Geheimnissen. Nach der Formalisierung von PUFs im UC Modell leiten wir effiziente UC-sichere Protokolle für grundlegende Anwendungen wie Oblivious Transfer, Bit Commitment und Schlüssel-Austausch ab.