动态可配置多输出RO PUF

针对已提出的环形振荡器物理不可克隆函数(Ring Oscillator Physical Unclonable Functions)输出位数少和鲁棒性不足的缺点,提出了由多输出环振荡器和动态配置处理模块组成的动态可配置多输出RO PUF。多路输出环振荡器用于提高芯片资源利用率和增加输出位数。动态配置处理模块根据工作环境的变化动态调整振荡器结构,从而增强系统的鲁棒性和可靠性。实验结果表明,相比传统RO PUF和可配置RO PUF,动态可配置多输出RO PUF展现出更高的片间汉明距离和更低的片内汉明距离,可进一步提取芯片ID的精度。     

可调可重构的环形振荡器物理不可克隆函数

针对环形振荡器物理不可克隆函数均匀性与独特性不够理想的问题,提出一种可调可重构的环形振荡器物理不可克隆函数设计.该设计包含可重构环形振荡器模块、整合器模块和裁决器模块.可重构环形振荡器模块由多个独立且具有相同设计的可重构环形振荡器-计数器组构成,芯片各部分的工艺偏差由计数器的数值反映;整合器模块通过将多个计数器数值进行排序并依次作差,以减弱芯片固有时延对物理不可克隆函数均匀性与独特性的不良影响;裁决器模块经预先设计阈值后,对整合器模块产生的差值进行裁决,产生最终响应.在Xilinx Zynq-7000 Soc ZC702 FPGA实现上述可调可重构的环形振荡器物理不可克隆函数,实验结果表明,均匀性的平均值为49.36%,独特性的平均值为47.07%,均趋于50%的理想值,取得了令人满意的效果.     

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.     

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。     

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。     

改进的仲裁器PUF设计与分析

介绍Daihyun等设计的仲裁器物理不可克隆函数(PUF)方案,指出其不足之处。在此基础上提出一种改进方案,设计并分析基于 D触发器的仲裁器PUF,在FPGA平台上实现并测试该方案的性能。实验结果表明,改进方案在输出的0, 1平衡性方面优于Daihyun的PUF方案。     

改进的仲裁器PUF设计与分析

介绍Daihyun等设计的仲裁器物理不可克隆函数(PUF)方案,指出其不足之处。在此基础上提出一种改进方案,设计并分析基于 D触发器的仲裁器PUF,在FPGA平台上实现并测试该方案的性能。实验结果表明,改进方案在输出的0, 1平衡性方面优于Daihyun的PUF方案。     

基于RRAM PUF的轻量级RFID认证协议

针对当前轻量级的射频识别（RFID）加密方案信息防护手段有限的问题,结合由阻变存储器（RRAM）构成的物理不可克隆函数（PUF）,提出了一种新型的轻量级RFID双向认证协议。利用多级响应加密机制实现阅读器与标签之间的安全认证处理。结合RRAM PUF模型,采用了特殊的纠错处理方法提高PUF响应的可靠性并阻止了信息泄露。此外添加了密钥更新机制和异常攻击标识,抵御了追踪攻击和去同步攻击等威胁。经仿真、分析和对比结果表明,该协议可以有效抵抗多种攻击手段,具有较高的安全性和较低的计算成本。     

基于纠错码模糊提取器的SRAM-PUF设计方法

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)是新型的硬件安全技术,利用芯片的“物理指纹”特征实现密钥生成和身份认证等不同功能。提出了一种基于纠错码技术的模糊提取器,用于提高SRAM类PUF的鲁棒性。模糊提取器工作分为生成阶段和重构阶段,生成阶段利用BCH编码产生与PUF响应相关的辅助数据,重构过程利用辅助数据和BCH码的纠错功能重建PUF的稳定响应输出。模糊提取器在ATSAMV70J19处理器上进行实验,在不同的工作温度条件下, 其一致性指标可达到99.9%,验证了该方法的有效性。     

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.     

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。     

基于PUF的低成本RFID系统安全协议

针对低成本无线射频识别(RFID)系统存在的安全性问题,提出一种基于PUF的低成本RFID安全协议。利用PUF的物理不可克隆性识别标签的身份,并利用线性反馈移位寄存器(LFSR)产生随机系列,加密阅读器与标签之间的通信,能抵抗重放攻击、跟踪攻击、物理攻击、窃听攻击等多种攻击。在Altera DE2板上使用FPGA实现PUF和LFSR,采用Quartus II 8.0编程。实验结果证明,该协议的执行时间和门电路数量能达到低成本标签的要求。     

A tamper-proof and lightweight authentication scheme

We present a tamper-proof and lightweight challenge-response authentication scheme, based on 2-level noisy Physically Unclonable Functions (PUF). We present a security reduction, which shows the scheme to be secure against passive attacks, provided that it is hard to learn a threshold of halfspaces under the uniform distribution. Furthermore, we provide an extensive analysis of PUFs. In particular, we thoroughly derive a linear model for delay based PUFs, and finally we explore extensions of PUFs to produce efficient and tamper-resilient n-to-n mappings.     

基于PUF的高效低成本RFID认证协议

已提出的针对低成本RFID系统的安全机制,要么存在安全缺陷,要么硬件成本太高。为此设计了一个基于物理不可克隆功能(PUF)的RFID安全认证协议,利用PUF和线性反馈移位寄存器(LFSR)实现了阅读器和标签之间强的安全认证,解决了已有安全协议存在的问题。安全性分析表明:该协议成本低、安全性高,能够抵抗物理攻击和标签克隆,并有极强的隐私性。     

Efficient and Lightweight FPGA-based Hybrid PUFs with Improved Performance

In recent years, Physically Unclonable Functions (PUFs) have emerged as a promising technique for hardware based security primitives because of its inherent uniqueness and low cost. In this paper, we present an area efficient hybrid PUF design on field-programmable gate array (FPGA). Our approach combines units of conventional RS Latch-based PUF (RS-LPUF) and Arbiter-based PUF (A-PUF) which is then augmented by the programmable delay lines (PDLs) and Temporal Majority Voting (TMV) for performance enhancement. The area of the hybrid PUF is relatively high when compared to few conventional PUF designs, but is significantly small when compared to other composite and hybrid PUF designs reported so far. The measured results on the Xilinx Spartan-6 FPGA demonstrate PUF signatures exhibits good uniqueness, reliability, and uniformity with no occurrence of bit-aliasing.     

基于PUF的开环RFID所有权转移协议

本文主要针对在供应链的交接过程中,标签在转移时的安全隐私和转移效率低的问题。为了针对低成本标签的安全与隐私问题,采用物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）和随机数等作为加密机制;为了抵御内部读写器攻击,使用伪随机数随时更新;采用PUF来保护标签的暴力攻击,将PUF和随机数结合实现标签的匿名和不可被追踪性;采用Rabin算法实现加密;采用Vaudenay模型来证明所有权转移的安全与隐私性。仿真结果表明,所有权转移时间降低,加快所有权转移的速度,提高供应链交接的效率。