[發明專利]一種基于異或門的可重構環形振蕩器PUF電路

有效

• 申請號: 201810677599.0
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN109167664B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 李冰;劉奔;陳帥;陳劍;淡富奎;董乾;劉勇;張林;沈克強;王剛;趙霞
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04L9/32
• 分類號: H04L9/32;H04L9/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐瑩

本發明公開了一種基于異或門的可重構環形振蕩器PUF電路，包括PUF延遲模塊和末端控制模塊，其中PUF延遲模塊包括n個串聯延遲單元，末端控制模塊包括類延遲單元和反饋控制單元；所述每個延遲單元作為FPGA的一個CLB及均包含由異或門和選擇單元組成且結構不同的兩個Slice，其中異或門根據輸入的激勵信號進行連線或形成反相器，選擇單元根據激勵信號決定正跳變信號所輸入的異或門并形成通路，及得到單個RO振蕩環的輸出信號；所述類延遲單元將其作為輸入及輸出整個RO振蕩環的輸出信號，反饋控制單元將其和反饋控制信號作為兩個輸入，處理獲得和輸出整個RO振蕩環的輸出信號。本發明具有簡單易實現，可靠性、穩定性、隨機性高，消耗資源少，激勵響應對多等特點。

技術領域

本發明涉及一種基于異或門的可重構環形振蕩器PUF電路，屬于信息安全的技術領域。

背景技術

最近幾年來，在國家的大力推動下，物聯網技術、云技術、大數據技術發展迅速，數字化世界離我們越來越近。可以想象，在未來的數字化世界里，萬物聯通，大量的數據產生、傳輸、處理、應用。而整個龐大體系的基礎就是數據的產生。成千上萬的傳感器在整個體系中扮演著“眼睛”的角色，它負責采集數據并對其進行加密后上傳。由于其暴露在現實環境中，故可能遭遇各種挑戰：周圍環境惡劣，溫度變化大，雨水等；各種物理攻擊，尤其是針對存儲在非易失性存儲器中的密鑰進行攻擊；可利用資源有限，導致一些加密算法無法實現等。如何保證產生的數據安全、可靠、正確，是一個亟待解決的問題。

為了解決以上問題，近年來提出了物理不可克隆函數PUF。其工作原理與一次函數類似，當給PUF一個激勵時，它就會產生一個唯一對應的響應，稱之為激勵-響應對。就像人類的指紋、瞳孔一樣，PUF的激勵-響應對就是每個芯片的唯一身份信息，它只受芯片的制造工藝影響，人為不可控制。故PUF具有唯一性、可靠性、不可預測、不可克隆等特點，這些特點足矣解決上文所述所有問題。根據這些特點，PUF可以被應用到系統認證、密鑰生成等多個的領域，在硬件安全領域也具有極大的研究價值和廣闊的應用前景。

PUF有“強PUF”(Strong PUF)和“弱PUF”(WeakPUF)之分。強PUF的激勵-響應對數量龐大，致使攻擊者在長時間內也無法讀取所有激勵-響應對。也是基于此點，強PUF不可預測，即使攻擊者獲得了大量激勵-響應對，也無法建立一個有效的PUF模型。因此強PUF主要用于安全認證方面；相較于強PUF，弱PUF的響應輸出數量與電路規模呈正比，容易實現但是安全性較低，主要用于密鑰、ID等關鍵信息存儲方面。

圖1是一個完整的也是最早提出的RO PUF電路，如圖所示，整個RO PUF電路包含N個RO振蕩環，每個RO振蕩環包含奇數個反相器，反相器個數由外部輸入的激勵位決定。當正跳變信號輸入到每個RO振蕩環的與門輸入端時，RO振蕩環開始振蕩。為使計數器能夠準確捕獲到一對由MUX隨機選擇的ROs的頻率差，往往會預先設置好時間。當時間到時，計數器停止計數，并比較兩個計數器的值。若上方計數器的值大，則輸出響應為1；若下方計數器的值大，則輸出響應為0。然而此結構消耗資源過多，N個ROs只能得到N(N-1)/2bit的輸出響應，不適合應用在資源緊湊的物聯網傳感器上。

為了得到位數更多、穩定性更好的輸出響應，近年來涌現出許多實用性方法。如選擇頻率差最大的ROs進行比較，從而得到穩定的輸出響應；多數投票選擇機制，通過多次比較，選擇出現概率最大的值作為輸出響應；提出可重構RO PUF，通過配置單個RO來獲得多種RO結構，進而提高RO PUF的輸出響應位數，使其可以產生海量的激勵-響應對。然而上述方法均存在容易消耗資源、隨機性低、不易實現的缺陷。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種基于異或門的可重構環形振蕩器PUF電路，解決如何在資源消耗相同的情況下獲得更多、更穩定的激勵-響應位的問題。通過將整個環形振蕩器RO的輸出反饋給輸入，使環形振蕩器能夠穩定地振蕩。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：