基于信号传输理论的Glitch物理不可克隆函数电路设计

通过对信号传输理论、竞争-冒险现象和物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions, PUF)电路的研究,论文提出一种基于信号传输理论的毛刺型物理不可克隆函数电路(Glitch Physical Unclonable Functions, Glitch-PUF)方案。该方案首先根据偏差延迟的信号传输理论,推导出获得稳定毛刺输出的电路级数;然后利用组合逻辑电路的传播延迟差异,结合1冒险和0冒险获得具有毛刺的输出波形,采用多级延迟采样电路实现Glitch-PUF的输出响应。由于毛刺信号具有显著的非线性特性,将其应用于PUF电路可有效解决模型攻击等问题。最后在TSMC 65 nm CMOS工艺下,设计128位数据输出的电路结构,Monte Carlo仿真结果表明Glitch-PUF电路具有良好的随机性。     

基于Rowhammer 物理不可克隆函数的物理设备测绘框架

网络空间测绘的核心问题是准确识别和动态跟踪设备。然而,随着匿名化技术的发展,设备可以拥有多个IP地址和MAC地址。这使得通过传统的测绘技术将多个虚拟属性映射到同一个物理设备上变得更加困难。该文提出一种基于物理不可克隆函数(PUF)的测绘框架。该框架可以主动检测网络空间中的物理资源,并根据物理指纹构建资源画像来动态跟踪设备。同时,该文提出一种在配备第四代双倍速率(DDR4)内存的个人电脑(PC)上实现基于Rowhammer的动态随机存取存储器物理不可克隆函数(DRAM PUF)的方法。性能评估表明,该方法在PC上提取的Rowhammer PUF的响应是唯一且可靠的,并可以作为设备的唯一物理指纹。实验结果表明,即使目标设备修改了MAC地址、IP地址或重装了操作系统,该文提出的框架仍然可以通过构建一个用于设备匹配的物理指纹数据库,对目标设备进行准确的标识。     

基于ZnO忆阻器的高鲁棒性毛刺型物理不可克隆函数设计

物理不可克隆函数(PUF)作为硬件安全原语,广泛应用于众多领域。针对传统硅基类PUF电路可靠性差和易受建模攻击等问题,该文提出一种基于忆阻器的“毛刺”型物理不可克隆函数电路(Glitch-PUF)。该方案首先利用忆阻器的非易失性和阻变效应,实现二值逻辑完备集;然后,利用完备集和竞争冒险现象设计忆阻毛刺产生模块,通过选通信号控制流经忆阻交叉阵列路径的延时大小,改变“毛刺”宽度获得稳定“毛刺”输出;最后,利用忆阻器的存算一体特性和施密特回滞效应设计忆阻采样模块,并测试Glitch-PUF性能。实验结果表明,所设计的Glitch-PUF电路相比文献,抗攻击性提高4.9%～14.3%,随机性达到98.2%,误码率(BER)为0.08%,具有优异的鲁棒性和稳定性。     

基于多项式拟合频率重构的物理不可克隆函数优化

近年来硬件安全不断受到挑战,具有不可预测性、随机性等特性的环形振荡器物理不可克隆函数(Ring Oscillator Physical Unclonable Function,RO PUF)可作为硬件安全重要的加密密钥方式,但通常原始RO PUF不满足加密密钥对随机性的要求.因此,提出了基于多项式拟合频率重构的PUF优...     

基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器

物联网(IoT)作为战略性新兴产业已经上升为国家发展重点,但在实际应用中也面临各种安全威胁.确保资源受限物联网系统数据传输、处理和存储的安全已成为研究热点.该文通过对物理不可克隆函数(PUF)和传感器制备工艺偏差的研究,提出一种基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器设计方案.该方案首先采用静电喷雾沉积(ESD)方式生成具有高比表面积特性的纳米材料,结合高温煅烧技术制备Pd-SnO2气敏传感器;其次采集Pd-SnO2气敏传感器在不同气体浓度、环境温度、加热电压条件下对甲醛气体的响应数据;然后利用随机阻值多位平衡算法比较不同簇气敏传感器响应的阻值,进而产生多位高稳态PUF数据;最后对所设计PUF发生器的安全性和可靠性进行评估.实验结果表明,该PUF发生器的随机性为97.03％、可靠性为97.85％、唯一性为49.04％,可广泛应用于物联网安全领域.     

基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器

物联网(IoT)作为战略性新兴产业已经上升为国家发展重点,但在实际应用中也面临各种安全威胁。确保资源受限物联网系统数据传输、处理和存储的安全已成为研究热点。该文通过对物理不可克隆函数(PUF)和传感器制备工艺偏差的研究,提出一种基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器设计方案。该方案首先采用静电喷雾沉积(ESD)方式生成具有高比表面积特性的纳米材料,结合高温煅烧技术制备Pd-SnO₂气敏传感器;其次采集Pd-SnO₂气敏传感器在不同气体浓度、环境温度、加热电压条件下对甲醛气体的响应数据;然后利用随机阻值多位平衡算法比较不同簇气敏传感器响应的阻值,进而产生多位高稳态PUF数据;最后对所设计PUF发生器的安全性和可靠性进行评估。实验结果表明,该PUF发生器的随机性为97.03%、可靠性为97.85%、唯一性为49.04%,可广泛应用于物联网安全领域。     

多频率段物理不可克隆函数

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions, PUF)是一种用于保护集成电路芯片安全的新方法。传统的基于振荡器的PUF在产生响应过程中振荡器的振荡频率固定不变,因此存在着被攻击的隐患。该文提出一种新的利用多频率段的PUF(Multiple Frequency Slots based PUF, MFS-PUF)来解决这个问题,通过可配置的振荡器,每产生一位响应,振荡器的振荡频率便发生转移。在每一种振荡频率下,由于不可避免地制造差异,振荡器之间的频率会有微小差别,这些略有差异的频率组成了一个频率段(frequency slot),整个系统中则存在着多个频率段。各个频率段之间随机转变,相比于传统的基于振荡器的PUF,系统输入输出响应对(Challenge-Response Pairs, CRPs)的值更大,也更加不可预测,这使得攻击者使用建模攻击的复杂度大大增加,在保证了自身性能的同时增强了本身的安全性。     

基于阻变存储器的物理不可克隆函数设计

物理不可克隆函数(PUF)将集成电路制造过程中产生的工艺变化作为一种安全原语,已被广泛应用于硬件安全领域,特别是身份认证和密钥存储。提出了一种基于阻变存储器(RRAM)阵列的PUF优化设计,采用2T2R差分存储结构,并利用阵列中RRAM单元的阻值变化产生PUF的随机性,以实现更高安全级别所需的大量激励-响应对(CRP)。RRAM PUF的存储单元基于28 nm工艺实现,其面积仅为0.125μm²,相比传统PUF存储单元面积开销减小,在入侵和侧信道攻击方面具有更好的鲁棒性。实验数据表明,RRAM PUF唯一性达到了约49.78%,片内汉明距离为0%,一致性良好,具有较好的随机性。     

基于物理不可克隆函数的加密通信系统

当前物联网设备数量快速增长,与此同时物联网设备易被入侵和系统密码易被破解等安全问题日益严重,针对此问题,提出了一种适用于物联网设备的基于物理不可克隆函数的加密通信系统? 本系统通过物理不可克隆函数(PUF)产生加密密钥,随后利用对称加密算法SM4对通信数据进行加密,进而实现物联网设备数据的加密通信,调试结果表明:本系统设计的 PUF平均片内、外海明距离分别为1.13％和43.3％,可以稳定有效地完成物联网设备的加密通信任务。     

基于环形振荡器的物理不可克隆函数的设计与验证

为了验证物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function, PUF)的有效性,试验必须针对大量芯片的微延迟特性进行建模。尽管仿真的方式能够提供近似的结果,但通过片上试验能获得更加精确的结果。借助FPGA工具制造硬宏,在多块同型号FPGA上分析了基于环形振荡器(Ring Oscillator, RO)的物理不可克隆函数。其核心步骤是通过对相邻RO的振荡频率计数后相互比较,得到1024比特长度的响应输出。在多次试验测试后,得到了片内和片间汉明距,并作为PUF性能的指标参数——唯一性、可靠性。结果表明,常温下的平均唯一性为48.01%,平均可靠性为1.75%。     

基于65 nm工艺的多端口可配置PUF电路设计

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function, PUF)电路利用结构完全相同的电路在制造过程中存在的随机工艺偏差,产生具有唯一性、随机性和不可克隆性的密钥。该文通过对共源共栅电流镜的研究,提出一种基于电流镜工艺偏差的多端口可配置PUF电路。该PUF电路由输入寄存器、偏差电压源、复用网络、判决器阵列和扰乱模块构成,通过激励信号配置偏差电压源,无需更换硬件便可实现输出密钥的变化,且可在一个时钟周期内输出多位密钥。在SMIC 65 nm CMOS工艺下,采用全定制方式设计具有36个输出端口的PUF电路,版图面积为24.8 m77.4 m。实验结果表明,该PUF电路具有良好的唯一性和随机性,且工作在不同温度(-40~125C)和电压(1.08~1.32 V)下的可靠性均大于97.4%,可应用于信息安全领域。     

基于正交混淆的多硬件IP核安全防护设计

为了解决集成电路设计中多方合作的成员信息泄漏问题,该文提出一种基于正交混淆的多硬件IP核安全防护方案。该方案首先利用正交混淆矩阵产生正交密钥数据,结合硬件特征的物理不可克隆函数(PUF)电路,产生多硬件IP核的混淆密钥;然后,在正交混淆状态机的基础上,实现多硬件IP核的正交混淆安全防护算法;最后,利用ISCAS-85基准电路和密码算法,验证正交混淆方法的有效性。在台湾积体电路制造股份有限公司(TSMC) 65 nm工艺下测试正交混淆的多硬件IP核方案,正确密钥和错误密钥下的Toggle翻转率小于5%,在较大规模的测试电路中面积和功耗开销占比小于2%。实验结果表明,采用正交混淆的方式能够提高多硬件IP核的安全性,可以有效防御成员信息泄漏、状态翻转率分析等攻击。     

DESIGN OF LIGHTWEIGHT PUF CIRCUIT BASED ON SELECTABLE CROSS-COUPLED INVERTERS

By analyzing the principle of process variations, a lightweight Physical Unclonable Function(PUF) circuit based on selectable cross-coupled inverters is proposed in this paper. Firstly, selectable cross-coupled inverters are chosen for two delay paths. Simultaneously, the circuit takes challenge signal to control each delay path. The PUF cell circuit is implemented in Semiconductor Manufacturing International Corporation(SMIC) 65 nm CMOS technology and the layout area is 2.94 mm × 1.68 mm. Then the 64-bit PUF circuit is achieved with the cascade connection of cell circuits. The simulation results show that the randomness is 49.4% and the reliability is 96.5%. Compared to the other works, this PUF circuit improves the encrypt performance and greatly reduces the area.     

基于序列密码的强PUF抗机器学习攻击方法

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)在信息安全领域具有极其重要的应用前景,然而也存在其自身安全受机器学习攻击等方面的不足.该文通过对PUF电路和密码算法的研究,提出一种基于序列密码的强PUF抗机器学习攻击方法.首先,通过构造滚动密钥生成器产生随机密钥,并与输入激励进行混淆...     

基于可配置延迟链的蝶形强物理不可克隆函数设计技术研究

物理不可克隆函数(PUF)作为芯片及系统的安全可信“根”,广泛应用在密钥管理、设备认证和指纹识别等重要领域,是目前解决芯片及系统安全问题最有效的方法之一。该文通过对PUF电路结构、工作特性和现场可编程门阵列(FPGA)结构的研究,提出一种基于可配置延迟链的蝶形强PUF (CBS-PUF)设计方法。首先利用FPGA中3种基本单元构建两条对称的可配置延迟链,并将延迟链首尾交错互联形成蝶形强PUF;然后基于FPGA搭建了PUF测试平台并开发了响应采集工具,实现激励-响应的自动化采集;最后,分析CBS-PUF的可靠性、均匀性和唯一性等性能,并讨论了抗模型攻击的具体方案。实验结果表明CBS-PUF的稳定性为99.34%,均匀性为51.02%,唯一性为47.2%,模型攻击效率最高为50.91%,可广泛应用在芯片及系统安全领域。     

一种基于动态环形振荡器物理不可克隆函数统计模型的频率排序算法

针对现有环形振荡器物理不可克隆函数(ROPUF)设计存在的可靠性和唯一性不高,导致在应用时安全性较差的问题,该文提出面向ROPUF的统计模型,定量分析了可靠性和唯一性的影响因素,发现增大延迟差能够提高可靠性,减小环形振荡器(RO)单元间的工艺差异可以提高唯一性。根据该模型结论,设计了基于mesh拓扑结构的动态RO单元,结合RO阵列频率分布特性,设计了一种新的频率排序算法,以增大延迟差和减小RO单元的工艺差异,从而提高ROPUF的可靠性和唯一性。结果表明,与其他改进设计的ROPUF相比,所提设计的可靠性和唯一性具有显著优势,可达到99.642%和49.1%,且受温度变化的影响最小。安全性分析证明,该文的设计具有很强的抗建模攻击能力。