[發明專利]基于Camellia加密算法的軟PUF

有效

• 申請號: 202110388098.2
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN113268745B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 汪鵬君;陳佳;李方強;李剛;張會紅
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: G06F21/60
• 分類號: G06F21/60;G06F21/72;H04L9/08
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理有限公司 33226
• 代理人: 方小惠

本發明公開了一種基于Camellia加密算法的軟PUF，包括硬件平臺，硬件平臺為128位Camellia加密算法硬件電路，通過利用基于Camellia加密算法硬件電路中路徑延遲偏差獲取PUF響應數據，無需專用硬件開銷，且在固定時鐘頻率下進行PUF響應的采集，避免了頻率變化過程中導致的不穩定現象，另外PUF響應經過Camellia加密算法的多輪數據隨機化，唯一性和隨機性較高，且從Camellia加密算法硬件電路的輸出中提取PUF響應采集難度低并且位數較多，安全性較強；優點是具有抗頻率擾動能力，可靠性較高，且具有良好唯一性和隨機性，安全性較高，有利于在信息安全領域的應用。

技術領域

本發明涉及一種軟PUF，尤其是涉及一種基于Camellia加密算法的軟PUF。

背景技術

隨著物聯網(Internet of Things,IoT)時代的到來，如何保證設備間安全通信成為關鍵。傳統的安全措施將密鑰存儲在非易失性存儲器(Non-volatile Memory,NVM)中，但極易受到版圖逆向工程、微探測等方式攻擊造成密鑰泄露。物理不可克隆函數(PhysicalUnclonable Function,PUF)利用集成電路制造過程中存在的隨機工藝偏差產生可以抵抗各種物理攻擊的高安全性密鑰，可廣泛應用于設備防偽、用戶認證以及集成電路知識產權(Intellectual Property,IP)核保護等場合。

傳統的PUF電路依賴特殊的硬件結構產生所需的PUF響應，通常被歸為硬PUF(Hardware PUF,HPUF,又稱硬件PUF)類別。例如仲裁器PUF(Arbiter PUF,APUF)比較相同兩條路徑的延遲偏差產生PUF響應，環形振蕩器PUF(Ring Oscillator PUF,RO PUF)的響應則依賴于相同振蕩器的頻率差異。此類型PUF在物聯網領域的應用往往因為功耗和面積開銷等原因受到限制。靜態隨機存取存儲器(Static Random-Access Memory,SRAM)PUF是解決上述問題的一種方式，靜態隨機存取存儲器PUF通過提取SRAM單元內隨機的上電狀態產生PUF響應。由于存儲器廣泛存在于電子設備中，靜態隨機存取存儲器PUF實現比較方便且無需消耗額外的硬件資源，但是其隨機特征依賴上電循環，在不允許頻繁斷電的場合需要存儲產生的響應，導致安全性降低。MScanPUF利用時序違例情況下觸發器采樣數據的不確定性產生PUF數據，解決了靜態隨機存取存儲器PUF獲取響應的問題，安全性較高，但是需要在原有掃描鏈結構上增加數據選擇器，產生額外的成本。

微處理器PUF是近年來出現的一種不需要獨立的硬件作為物理隨機源的PUF，被歸為軟PUF(Software PUF,SPUF)類別。微處理器PUF根據建立時間約束條件，利用不同芯片在超頻下多次執行指令的錯誤情況差異，設計特定的編碼規則產生PUF響應，用于FPGA的安全認證。該微處理器PUF設計過程中將微處理本身的電路結構作為硬件平臺，整個PUF機制可由軟件程序實現，解決了仲裁器PUF、環形振蕩器PUF及MScanPUF等硬件PUF需要專用硬件開銷的問題，并且該微處理器PUF響應提取方式較簡單，解決了靜態隨機存取存儲器PUF需要上電循環的問題。

但是，在獲取響應時，微處理器PUF需要在不同的時鐘頻率下多次執行相同的指令，并根據處理器指令執行失敗情況設計一定的編碼規則以獲得對應的PUF響應。在改變時鐘頻率時，由于測試過程中頻率可能發生小幅度的波動，導致相同指令可能在不同的時鐘頻率下執行，降低了可靠性。此外，該微處理器PUF在實施過程中，需要在一個頻率范圍內選取目標采樣點數并在每個采樣頻率下重復執行指令。根據編碼規則每個采樣點只能產生2比特響應，由于響應位數較少，該微處理器PUF的破解難度較低，同時不利于芯片認證。根據實驗結果，微處理器PUF的唯一性和隨機性也較低。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種具有抗頻率擾動能力，可靠性較高，且具有良好唯一性和隨機性，安全性較高的基于Camellia加密算法的軟PUF。