Publication: Integrating physical unclonable functions with machine learning for the authentication of edge devices
| cris.virtual.department | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | |
| cris.virtual.orcid | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | |
| cris.virtualsource.department | cddfe918-43ee-49fa-b00b-839a5b2bcec1 | |
| cris.virtualsource.orcid | cddfe918-43ee-49fa-b00b-839a5b2bcec1 | |
| dc.contributor.author | Abdul Manan, Sheikh | |
| dc.contributor.supervisor | Md. Rafiqul Islam, Ph.D | |
| dc.contributor.supervisor | Mohamed Hadi Habaebi, Ph.D | |
| dc.contributor.supervisor | Suriza Ahmad Zabidi, Ph.D | |
| dc.contributor.supervisor | Athaur Rahman Najeeb, Ph.D | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-15T01:46:19Z | |
| dc.date.available | 2026-07-15T01:46:19Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | The rapid growth of the Internet of Thing (IoT) has increased the demand for lightweight and robust hardware security mechanisms. Physical Unclonable Functions (PUFs) have emerged as promising hardware security primitives for device authentication, cryptographic key generation, and counterfeit prevention by leveraging intrinsic manufacturing process variations. Their capability for on demand cryptographic key generation eliminates the requirement for persistent key storage, thereby enhancing security against key extraction and tampering. However, PUF responses are often affected by environmental noise, voltage fluctuations, and device aging, which can compromise their reliability and randomness. Furthermore, recent advances in Machine Learning (ML) have demonstrated the ability to model and predict Challenge–Response Pairs (CRPs) of conventional strong PUFs, posing significant security risks. PUFs can be implemented in Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) or, at lower cost, in Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). FPGAs are widely used in IoT and embedded systems due to their programmability, partial reconfigurability, and faster time-to-market. This research presents the design, implementation, calibration, and evaluation of FPGA-based PUFs aimed at improving robustness against environmental variations and ML modeling attacks. Both Arbiter PUFs (APUFs) and Ring Oscillator (RO) PUFs were implemented on an Intel Altera Cyclone IV-E FPGA, with CRPs extracted in real time using a logic analyzer. To mitigate noise and improve consistency, PUF CRPs were processed using whitening and hashing techniques. The performance of the proposed PUFs was evaluated using key metrics including reliability, uniqueness, randomness, and correctness. Randomness was validated through the NIST Statistical Test Suite (STS), while reliability was assessed under variations in temperature, voltage, and device aging. The study also explores the synergy between Artificial Intelligence (AI) and PUFs for IoT security. AI enhances edge computing security through advanced threat detection, automated responses, and optimized resource management. More than 900,000 CRPs were collected for both APUF and RO PUF and evaluated using key metrics including randomness, reliability, and uniqueness. The APUF demonstrated near ideal characteristics with high entropy, reliability (97.99%), and uniqueness (49.99%), while the RO PUF showed similarly strong statistical quality and robustness with reliability of 98.01% and uniqueness of 49.99%. Machine learning resistance was assessed using Logistic Regression (LR), Random Forest (RF), Gradient Boosting (GB), and MultiLayer Perceptron (MLP) models. For APUF, LR and GB achieved low prediction performance (around 61%), whereas RF and MLP attained high accuracies up to 97%, reflecting their ability to model complex PUF behaviour. The higher prediction accuracy observed for complex models such as MLP and RF can be advantageously interpreted from an anomaly detection perspective, rather than purely as a weakness. In contrast, RO PUF prediction accuracies remained close to random guessing (below 50%), confirming strong resistance against learning based attacks and high robustness of the CRP data. Moreover, when integrating PUFs into existing FPGA architectures, design compatibility, required modifications, and interactions with other system functions must be carefully considered. These factors highlight the importance of robust design strategies to ensure reliable and scalable PUF implementations for practical hardware security applications. | |
| dc.description.abstractarabic | خلاصة البح ث يشهد النمو السريع ل إنترنت الأشياء (IoT) زيادةً في الطلب على آليات أمنية عتادية خفيفة الوزن وموثوقة. وقد برزت الدوال الفيزيائية غير القابلة للاستنساخ (PUFs) كعناصر واعدة للأمن العتادي من أجل مصادقة الأجهزة، وتوليد المفاتيح التشفيرية، ومنع التزوير، وذلك من خلال الاستفادة من الاختلافات الجوهرية الناتجة عن عمليات التصنيع. إن قدرتها على توليد المفاتيح التشفيرية عند الطلب تلغي الحاجة إلى التخزين الدائم للمفاتيح، مما يعزز الحماية ضد استخراج المفاتيح أو العبث بها. ومع ذلك، فإن استجابات PUF تتأثر غالباً بالضوضاء البيئية، وتقلبات الجهد الكهربائي، وتقادم الأجهزة، مما قد يؤثر سلباً في موثوقيتها وعشوائيتها. علاوةً على ذلك، أظهرت التطورات الحديثة في التعلم الآلي (ML) لقدرة على نمذجة والتنبؤ بأزواج التحدي والاستجابة (CRPs) الخاصة ب PUF القوية التقليدية، مما يشكل مخاطر أمنية كبيرة . يمكن تنفي ذ PUF باستخدام الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) أو بتكلفة أقل باستخدام المصفوفات المنطقية القابلة للبرمجة ميداني اً (FPGAs). وتُستخدم FPGAs على نطاق واسع في أنظمة إنترنت الأشياء والأنظمة المضمنة بسبب قابليتها للبرمجة، وإمكانية إعادة التهيئة الجزئية، وسرعة الوصول إلى السوق. يقدم هذا البحث تصميم وتنفيذ ومعايرة وتقييم PUF المعتمدة على FPGA بهدف تحسين المتانة ضد التغيرات البيئية وهجمات النمذجة القائمة على التعلم الآلي . تم تنفيذ كل من Arbiter PUFs (APUFs) و Ring Oscillator PUFs (RO PUFs) على لوحة Intel Altera Cyclone IV-E FPGA، مع استخراج أزواج التحدي والاستجابة (CRPs) في الزمن الحقيقي باستخدام محلل منطقي. ولتقليل الضوضاء وتحسين الاتساق، تمت معالجة بيانات CRPs باستخدام تقنيات التبييض Whitening) والتجزئة (Hashing). كما تم تقييم أداء PUF المقترحة باستخدام مؤشرات رئيسية تشمل الموثوقية، والتفرد، والعشوائية، والصحة (Correctness). وتم التحقق من العشوائية باستخدام حزمة الاختبارات الإحصائية NIST Statistical Test Suite (STS) ، بينما تم تقييم الموثوقية تحت تأثير تغيرات درجة الحرارة، والجهد الكهربائي، وتقادم الأجهزة . تستكشف هذه الدراسة أيضاً التكامل بين الذكاء الاصطناعي (AI) وPUFs لتعزيز أمن إنترنت الأشياء. إذ يسهم الذكاء الاصطناعي في تحسين أمن الحوسبة الطرفية من خلال الكشف المتقدم عن التهديدات، والاستجابة الآلية، وإدارة الموارد بشكل أمثل. وقد تم جمع أكثر من 900,000 زوج من التحدي والاستجابة (CRPs) لكل من APUF وRO PUF وتقييمها باستخدام مؤشرات الأداء الأساسية، بما في ذلك العشوائية، والموثوقية، والتفرد . أظهرت نتائ ج APUF خصائص شبه مثالية من حيث الإنتروبيا العالية، والموثوقية ) 97.99 %(، والتفرد ) 49.99 % (، بينما أظهر RO PUF جودة إحصائية قوية ومتانة عالية مع موثوقية بلغت ) 98.01 %( وتفرد ) 49.99 .)% كما تم تقييم مقاومة التعلم الآلي باستخدام نماذج الانحدار اللوجستي (LR)، والغابة العشوائية (RF) ، والتعزيز التدريجي (GB)، والشبكات العصبية متعددة الطبقات (MLP). بالنسبة إلى APUF، حقق كل من LR وGB أداءً منخفضاً في التنبؤ )حوالي 61 %(، في حين حقق كل من RF وMLP دقة عالية وصلت إلى 97 %، مما يعكس قدرتهما على نمذجة السلوك المعقد ل PUF. ويمكن تفسير دقة التنبؤ المرتفعة للنماذج المعقدة مثل MLP وRF بصورة إيجابية من منظور كشف الشذوذ (Anomaly Detection) بدلاً من اعتبارها نقطة ضعف فقط . في المقابل، ظلت دقة التنبؤ الخاصة ب RO PUF قريبة من التخمين العشوائي )أقل من 50 %(، مما يؤكد مقاومتها القوية ضد الهجمات القائمة على التعلم الآلي ومتانة بيانات CRPs العالية. علاوة على ذلك، عند دمج PUFs ضمن البنى الحالية المعتمدة على FPGA ، يجب مراعاة توافق التصميم، والتعديلات المطلوبة، والتفاعلات مع وظائف النظام الأخرى بعناية. وتبرز هذه العوامل أهمية استراتيجيات التصميم القوية لضمان تنفيذ موثوق وقابل للتوسع ل PUF في تطبيقات الأمن العتادي العملية. | |
| dc.description.callnumber | et TK 5105.8857 A1364I 2026 | |
| dc.description.cpsemail | cps2u@iium.edu.my | |
| dc.description.degreelevel | Doctoral | |
| dc.description.identifier | Thesis : Integrating physical unclonable functions with machine learning for the authentication of edge devices /by Sheikh Abdul Manan | |
| dc.description.kulliyah | Kulliyyah of Engineering (KOE) | |
| dc.description.notes | Thesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2026. | |
| dc.description.physicaldescription | 1 online resource (xvii, 229 leaves) : color illustrations ; 30 cm. | |
| dc.description.programme | Doctor of Philosophy in Engineering | |
| dc.holds | Open Access | |
| dc.identifier.uri | https://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/34192 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | Kuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2026 | |
| dc.rights | Owned By Student | |
| dc.subject.lcsh | Internet of things -- Data processing | |
| dc.subject.lcsh | Internet of things -- Security measures | |
| dc.subject.lcsh | Edge computing -- Security measures | |
| dc.title | Integrating physical unclonable functions with machine learning for the authentication of edge devices | |
| dc.type | Doctoral Theses | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oairecerif.author.affiliation | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- am_integrating_physical_phd.pdf
- Size:
- 7.48 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
- Description:
- Full text
