一种无熵泄露的模糊提取器改进结构

物理不可克隆函数(PUF)模块由于响应的不稳定性无法直接应用于密钥生成,而模糊提取器的处理方法由于辅助数据的公开会带来熵泄露的安全隐患。针对模糊提取器的熵泄露问题,提出了一种改进的模糊提取器结构,通过加入人工噪声通道使得修正后的PUF响应无偏置,实现无熵泄露的效果,且不会增加资源受限的设备在重现阶段的执行步骤。在偏置p_b=0. 54、错误率e=0. 10的SRAM PUF应用背景下,所需SRAM PUF大小和密钥生成成功率相比其他方法有一定改善。     

自动纠错CRO PUF密钥生成方案

针对射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)安全问题中的加密技术,设计了自动纠错CRO PUF密钥生成方案。该方案将数字通信系统中重复码的纠错思想应用到可配置环形振荡器物理不可克隆函数(Configurable Ring-oscillator Physical Unclonable Function,CRO PUF)结构中,对相邻CRO的最终振荡频率进差行分运算得到3位输出响应值,然后对输出响应值进行纠错处理,得到一位自动纠错CRO PUF输出信息,从而实现CRO PUF电路自动纠错;利用模糊提取器中注册阶段和重构阶段的纠错码编解码技术的纠错特性来纠正复现输出信息向量存在的比特跳变误差,然后使用Hash模块对纠错后的PUF复现输出信息向量进行数据加密以生成密钥。基于Linux系统,利用Cadence virtuoso中specture环境下的TSMCO 0.18 um,1.8 V CMOS0工艺库对自动纠错CRO PUF电路进行Monte Carlo模拟仿真,使用MATLAB对PUF电路复现输出信息向量进行模糊提取器处理。由仿真实验数据可得,自动纠错CRO PUF电路在电源电压影响下的最高、最低可靠性分别为98.96%和92.71%;在温度影响下的最高、最低可靠性分别为99.10%和93.75%。实验结果表明,相对于CRO PUF电路,自动纠错CRO PUF的可靠性与均匀性有了明显提高;从整体情况看,自动纠错CRO PUF与CRO PUF电路的唯一性没有一方处于明显的优势或劣势,但对两组数据进行方差计算和比较后发现,自动纠错CRO PUF的唯一性与标准值50%之间有着更好的逼近效果。经模糊提取器处理后的PUF复现输出响应向量的可靠性进一步提高,且高达99.8%,其受环境因素干扰非常小,可直接用作密钥。     

基于BST-PUF模型的轻量型认证与会话密钥交换协议

为解决现有PUF密钥交换协议存在的纠错机制复杂、辅助数据过大而导致的高开销问题,利用新提出的比特自检PUF电路（BST-PUF）设计了一种轻量型认证与密钥交换协议,在含有PUF的密码设备与服务器之间进行安全认证并建立共享会话密钥。协议能实现双向认证与可靠的密钥交换,抵抗篡改攻击、中间人攻击、DoS攻击、物理探测攻击与建模攻击等各种攻击技术。协议采用BST-PUF电路和鲁棒响应提取器来生成可靠的响应,取代传统PUF和纠错码组合,将可靠性标志F作为辅助数据用来恢复密钥,大幅降低纠错复杂性,减少辅助数据长度并提升PUF利用率。     

内建自调整的仲裁器物理不可克隆函数

针对仲裁器物理不可克隆函数(PUF)响应随机性难以保证的问题,提出具有内建自调整功能的仲裁器PUF设计,该设计包含激励产生模块、可调仲裁器PUF模块和自调整模块.首先在传统仲裁器PUF上增加由调整信号控制的时延调节电路,实现可调仲裁器PUF结构;然后用线性反馈移位寄存器实现激励产生模块,生成用于测试PUF随机性的激励;最后加入自调整模块,通过分析PUF响应的随机性自动调整时延调节电路的调整信号,提高可调仲裁器PUF的随机性.实验结果表明,经过自调整,在FPGA上实现的多个所提仲裁器PUF,其随机性的平均值为50.62%,标准差仅为0.5%,随机性得到有效提高.     

一种基于PUF的两方认证与会话密钥交换协议

提出了一个轻量级的两方认证及会话密钥交换协议,在一个拥有PUF实体的密码设备（Device）与服务器（Server）之间进行安全认证并建立共享会话密钥。协议采用了模糊提取器来进行认证和密钥提取,同时使用伪随机函数和异或加密来进行消息认证和通信数据加密,有效降低了执行开销。协议中Server只需要获取并存储Device中PUF的一条激励-响应信息,用于后续的密钥更新与交换,避免了因采集大量的激励-响应信息而带来的存储资源的消耗和数据泄露隐患。分析表明提出的协议实现了双向认证和可靠的密钥交换,能够抵抗窃听攻击、篡改攻击、中间人攻击、DOS攻击、建模攻击、物理探测攻击等各种攻击技术。     

一种基于线性反馈移位寄存器的轻量级强PUF 设计

物理不可克隆函数(PUF),是一种新型硬件安全原语,可以用FPGA 和ASIC 实现, 避免芯片被过度制造和非法克隆。PUF 可以用于安全密钥生成和芯片认证,强PUF 是其中一种 重要的分类,强PUF 具有极大的CRP 空间,适用于设备实体的安全认证。经典的以仲裁器PUF 为代表的强PUF 设计面积开销大,唯一性不够理想,难以在一些资源集约的场景,如嵌入式系 统和物联网(IoT)设备中应用。为了减小硬件开销,提出了一种新型轻量级强PUF 设计,该设计 利用线性反馈移位寄存器对弱PUF 的输出响应进行混淆以获得大量的输出响应,结构简单,易 于实现。在28 nm 的FPGA 上实现并评估了该PUF 设计。实验结果表明,该PUF 的随机性为 49.8%,唯一性为50.25%,硬件开销很小。     

Raspberry Pi的DRAM PUF密钥生成系统研究

介绍了基于树莓派B+硬件平台实现DRAM PUF密钥发生系统的研究与设计。系统从嵌入式设备广泛使用的动态随机存储器中提取带有自身硬件指纹的物理不可克隆函数，通过模糊提取算法和Hash算法消除由于环境噪声及老化效应带来的错误信息，稳定生成128位DRAM PUF安全密钥。该系统生成的DRAM PUF安全密钥可靠性高达99%,唯一性为48.44%,均匀性为50%,并且密钥的信息熵值为1.0。     

FROPUF:从基于FPGA的震荡环PUF中提取更多的熵

FPGA平台上基于振荡环的物理不可克隆方法（Ring Oscillator based Physically Unclonable Function,以下简称RO PUF）以其简洁的架构和优良的属性而备受青睐。但是常用的RO PUF结构只能通过比较一对振荡环的频率,从两个振荡环里提取到1比特的熵。在很多应用中,尤其是基于PUF技术的密钥生成和随机数生成中,PUF响应能够保证提供足够的熵至关重要,为此,RO PUF需要部署大量的振荡环从而会消耗更多的资源。硬件资源利用率的低下极大限制了RO PUF的应用范围,尤其是资源受限的情景。针对这个问题,我们提出了一种简洁高效的方法,通过利用可编程延迟线（Programmable Delay Line,PDL）对延迟路径的精细控制,可以从每个振荡环中提取到相当于目前最优方案6倍的熵。我们将这种新型RO PUF结构命名为深度ROPUF （Further RO PUF）。本文不仅详细介绍了如何利用从实现振荡环的查找表（Look Up Table,LUT）中推导出的潜在随机变量,还展示更深层的制造差异变量是如何通过类似于高阶差分算法来提取的。除此之外,我们还建立了模型进行仿真并在XilinxVirtex-6和Zynq-7000系列评估板上进行了实验,通过展示仿真和实验结果的一致性来证明我们所提出方法的有效性和正确性。     

FPGA物理不可克隆函数及其实现技术

作为一种重要的硬件安全原语,物理不可克隆函数(PUF)利用集成电路不可控的制造工艺差异生成具有唯一标志的签名数据,以其特有的轻量级和防篡改属性在芯片认证、随机数产生器和密钥生成等硬件安全领域具有极大优势.现场可编程门阵列(FPGA)应用因其对电路设计可自由灵活配置的特点,自身的安全性和可靠性问题越来越受到关注.PUF技术可以从硬件层面为FPGA电路提供有效安全保护,以较少的开销获得更强的抵御安全风险能力.文中系统地分析了基于FPGA PUF的模型和相应的电路结构,总结和分析FPGA PUF电路结构在随机性、稳定性和资源消耗等性能方面的优化策略,FPGA PUF技术的主要检验评价方法以及性能对比;介绍了FPGA PUF在硬件安全领域中的典型应用.最后对FPGA PUF面临的挑战和未来趋势进行了展望.     

高效能FPGA毛刺PUF设计与实现

物理不可克隆函数(PUF)因其特有的唯一性和不可克隆性,在诸多硬件安全领域有广泛应用前景.针对仲裁器PUF和环形振荡器PUF硬件资源消耗大的弱点,在毛刺PUF设计架构基础上,充分利用FPGA中双路选择器转换时延和片(Slice)间配置开关矩阵特性,提出一种高资源利用率的毛刺PUF电路设计方法.根据可编程逻辑块(CLB)所含的不同类型Slice分别设计相应的布局布线方案,通过改变双路选择器的输入状态和调整开关矩阵中路径分配的策略控制到达双路选择器的时延差,确保产生的"毛刺"信号具有PUF特性.该方法不仅将单位CLB输出响应最高提升至2比特,还可以做到芯片Slice资源100%利用率.实验结果表明,利用Xilinx公司Virtex-5芯片实现128比特输出,在保持原有的较高唯一性(49.61%)的前提下,错误率降至2.51%;较原有毛刺PUF设计在稳定性、芯片兼容性和硬件资源使用率方面都有显著提升.     

基于全局距离最优的抗污染极短纠错码设计

针对现有二维码在复杂环境中抗污染能力弱、解码速度慢的问题,提出了一种基于全局距离最优的抗污染极短纠错码。首先,构建了表征污染环境的凹凸多边形数学模型;然后,设计了采用3个编码点表示一个目标数据位的极短纠错码;最后,设计了在有限约束域内全局距离最优的编码点的编排方法,并给出了对应的解码算法。对极短纠错码的抗污染能力和识别速度进行了仿真评估,并与经典的BCH码进行了对比。结果表明,当目标数据长度为18、编码点数为63时,极短纠错码在同等污染环境中识别准确率接近BCH码,而解码速度是BCH码的130倍。所提编码还具有结构简洁明确、编码点数适应能力强、易于标准化推广应用等显著优点。     

一种新的无损图像压缩算法的研究

提出了新的二进制(位级)无损图像压缩方法——将错误纠正BCH码引入到图像压缩算法中;将图像的二进制分为大小为7的码字,这些块进入到BCH解码器,消除了校验位后,使得原来的块的大小减少到4位。实验结果表明,此压缩算法是有效的,并给出了一个很好的压缩比,而且不丢失数据。BCH码的使用在提高压缩比方面比单纯霍夫曼压缩的结果要好。     

基于T-S模糊神经网络模型的编码器故障软闭环容错控制方法

针对舞台吊杆调速系统中速度反馈元件增量式编码器可能产生的丢码、断码等问题,为防止故障影响的传播,结合数据驱动技术提出了一种基于T-S模糊神经网络(T-S FNN)模型的编码器故障检测与软闭环容错控制方法。首先,利用系统正常运行时的历史数据建立系统较为精确的T-S FNN预测模型,并用实际编码器测量值与模型预测值相减获得残差信息;其次,将其残差实时数据通过改进的序贯概率比检验(SPRT)算法进行故障检测,以克服检测延迟确保故障检测的可靠性,当检测出故障时,再用T-S FNN模型的预测输出替代故障编码器的输出,实现软闭环方式下的容错运行;最后,针对编码器丢码、断码等故障,采用上述方法进行了软闭环容错控制的有效性仿真验证。仿真结果表明,该方法能够快速可靠地检测到编码器故障,并用预测的重构信息通过容错切换机制,及时、安全地以软闭环方式实现了对故障编码器的容错控制,提高了舞台吊杆调速系统运行的安全可靠性。     

基于有限域分圆陪集的BCH码参数盲估计

BCH码作为一种循环码在通信领域有很广泛的应用,提出一种基于有限域分圆陪集的BCH码参数估计方法。由于该方法利用了BCH码的汉明码特性,实现了码组同步时刻和码长的快速估计,利用分圆陪集原理,准确估计出BCH码的生成多项式。仿真实验结果表明,该方法具有所需数据量少、识别速度快、抗误码性能好的特点。     

一个基于纠错码和DCT变换的盲水印算法

提出了一个基于纠错码和DCT变换的图像盲水印算法,该算法利用图像置乱技术和纠错码方法生成水印序列。对不用纠错码、用汉明码和用BCH码的三种水印方案进行了仿真,结果表明利用纠错码的水印方案具有更好的鲁棒性。     

轴角编码器中的粗精组合与纠错技术实现

本文分析了轴角编码器中粗精组合与纠错的基本原理，并基于１６０ＤＤ×４／１６多线旋转变压器，提出了运用纯硬件电路实现编码纠错的一种简单方法，这种方法具有快速，简洁易行，准确等优点。     

基于纠错码和小波变换的彩色图像水印算法

为了提高数字水印的鲁棒性和降低传输过程中的差错,在研究将纠错编码应用于数字水印的基础上, 提出了一种基于BCH 码（或汉明码）和小波变换的彩色图像数字水印算法．该算法利用BCH 码（或汉明码）的纠 错性能,对水印图像进行混沌置乱预处理,实现了彩色图像中数字水印的嵌入和提取．仿真实验结果表明该算法具 有良好的不可见性,而且能抵抗多种攻击,比未采用纠错编码的同一水印算法具有更好的鲁棒性,且基于BCH 码 的算法性能要优于基于汉明码的算法．     

Leakage free helper data storage in microcontroller based PUF implementation

Physical Unclonable Function (PUF) generates a unique identifier of a device, based on variations during a manufacturing process. Such identifier is difficult to predict or clone. It is used usually as a cipher key. Its weakness is, in general, a high sensitivity to changes in environmental conditions. In order to ensure stability, post-processing methods with error correction codes are usually applied. Unfortunately, these methods reveal, in many cases, sensitive data. We present a novel way to apply error correction code for the PUF. It is called Code Word Masking construction. This construction allows to generate PUF response in more secure way. Helper data are formed just by properly selecting PUF response bits. Therefore, helper data do not leak sensitive information. The selection is performed according to code words of the error correction code used. The method can be used for any type of weak PUF and many types of error correction codes. The error correction capability of the construction depends only on the capability of the error correction code. We describe this construction, and present an example of the PUF implementation based on the non-initialized values of the static random access memory using a 32-bit microcontroller. The implementation is more secure and has lower entropy loss compared to existing solutions. The reliability of the solution was proved through measurements under various environmental conditions. The implementation is improved by identifying and excluding the unreliable (’dark’) bits.     

一种基于Turbo码和DWT的数字水印方案

为了减少数字水印在传输过程中的差错,改善水印系统的稳健性,本文将纠错编码引入到数字水印中,提出了一种基于Turbo码和离散小波变换的数字水印方案。原始水印在嵌入之前先进行Turbo编码,然后把编码后的水印信息嵌入到宿主图像小波分解后中频子带的小波系数里,在接收端通过Turbo译码来恢复原始水印。仿真实验结果证明了本文提出的方案比采用汉明码、BCH码等其它编码所实现的水印具有更好的不可感知性和稳健性。