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。     

基于电平转换器的物理不可克隆函数电路设计

提出一种基于通用交叉耦合电平转换器的低开销新型物理不可克隆函数的电路设计。该设计只需在传统电平转换电路中引入一个额外的开关晶体管,用来切换电平转换器的差分工作模式和共模工作模式,利用交叉耦合网络中两个 PMOS 晶体管由于开关速度不同所引起的输出电压的不确定性,通过共模模式输出获取所必需的熵值。该电路采用标准65 nm CMOS工艺进行设计,仿真结果显示该PUF的唯一性为49.11%,接近理想值。在电压为1.0～1.5V内,可靠性可达96.09%,而在环境温度为-20～100 ℃内,可靠性可达95.31%。同时在高速吞吐率为20Mbit/s时,每比特输出能耗仅为0.72 pJ（1.2 V,27 ℃）。     

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。     

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。     

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.     

面向物理不可克隆函数的可靠性与随机性增强技术

传统的基于环形振荡器物理不可克隆函数(RO-PUF)因温度、电压、器件老化等影响,存在着物理不可克隆函数(PUF)输出不稳定的可靠性问题以及振荡器频率不随机分布的安全性问题.针对PUF可靠性问题,提出一种类斜率频率补偿方案.该方案通过测量出温度与振荡器频率的线性关系,再选择与不稳定输入输出响应对(CRP)中相同线性关系的其他振荡器相互补偿,使得不稳定CRP输出可靠响应.针对PUF的安全性问题,提出一种基于平均值绝对差的方案.该方案首先测量出每块芯片上振荡器的平均频率,其次再多次过滤相应振荡器的平均值得到随机的剩余频率,最终PUF的输出响应能够服从随机分布.分析与实验结果表明,该方案能有效提高RO-PUF安全性与可靠性.     

基于FPGA的新型强弱混合型PUF电路设计

物理不可克隆函数（PUF,physically unclonable function）通过提取芯片制造过程中无法避免引入的工艺偏差,可产生具有随机性、唯一性和防篡改特性的特征密钥。通过对 PUF 电路结构和工作原理的研究,提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA,field-programmable gate array）的新型强弱混合型 PUF （SWPUF,strong and weak PUF）电路设计方案。该PUF可根据激励的汉明重量(HW,hamming weight)灵活地配置为强PUF和弱PUF两种拓扑结构,解决强/弱PUF分立实现的局限性。此外,利用异或去相关技术进一步优化输出密钥的统计特性。所提PUF采用Xilinx Artix-7 FPGA（28 nm工艺）实现,利用Matlab结合MicroBlaze微控制器构建内建自测试平台（self-built test platform）。实验结果表明,该PUF具有良好的随机性（96.98%）、唯一性（99.64%）和可靠性（常温常压下96.6%）。逻辑回归分析进一步显示,在HW较小的情况下所提SWPUF比传统的Arbiter-PUF具有更好的抗攻击能力,可广泛应用于信息安全领域,如密钥存储（针对弱PUF）和设备认证（针对强PUF）。     

非确定性仲裁型物理不可克隆函数设计

物理不可克隆函数(physical unclonable function,PUF)在信息安全领域的应用日益广泛.然而,仲裁型PUF作为一种典型的强PUF,因逻辑确定而易被建模攻击破解;弱PUF虽然对建模攻击免疫,但无法提供较多激励响应对.为解决此问题,提出了一种非确定性仲裁型PUF,通过结合仲裁型PUF和弱PUF,使非确定性仲裁型PUF的部分布尔逻辑关系取决于弱PUF的不确定性输出,以提高该PUF的逻辑不确定性,进而提高了其抗建模攻击能力.同时,在FPGA上的实验也表明,所提设计具有较高的随机性(50.6%)和稳定性(94.5%).     

轻量级可配置强物理不可克隆函数设计

为了解决物理不可克隆函数(PUF)结构简单、容易遭受建模攻击等问题,提出一种基于动态线性反馈移位寄存器(LFSR)的强PUF抗攻击混淆设计.首先使用一个固定结构的LFSR作为伪随机数发生器,为混淆逻辑提供随机选择信号;然后使用一个内置多个反馈多项式的动态LFSR作为混淆逻辑,对输入激励进行混淆;最后将混淆后的激励输入内嵌PUF电路,使攻击者无法获取内嵌PUF的真实激励,从而提高PUF的抗建模攻击能力.用Python和FPGA进行了仿真和数据收集,在收集到数据集上的实验表明,所提设计具有接近理想值的均匀性(49.8％)和唯一性(49.9％),保持了与经典强PUF相同的可靠性.该设计结构简单,硬件开销较低,能够抵抗多种主流机器学习和深度学习算法的建模攻击.     

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。     

采用后备式PWM开关控制芯片PWR—TOP214的双路输出回扫式开关电源设计

介绍了后备式PWM开关控制芯片PWR—TOP214工作原理,并给出了用该芯片设计双路输出回扫式开关电源的步骤和实验结果.     

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。     

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。     

新型开关芯片TOP224P在开关电源中的应用

本文介绍了第二代TOP开关芯片TOP224P的工作原理及功能特点,并叙述了其在双路输出开关电源设计中的具体应用。     

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.     

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.     

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。     

基于MI-PUF的V2X车联网通信安全认证协议北大核心CSCD

针对目前车联万物(Vehicle-to-Everything,V2X)中车辆与路边单元(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)、车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle,V2V)通信的认证协议计算开销大、易受到攻击者假冒合法身份攻击的问题,文章提出一种基于索引图与索引提示符物理不可克隆函数(Map-Index Physical Unclonable Function,MI-PUF)的车联网通信安全认证协议。该协议引入PUF并利用其轻量级计算的特性降低车辆的计算开销和通信开销;借助PUF自身不可克隆的特性,解决身份假冒攻击问题;通过构建索引图以及哈希函数对PUF的输出信号进行处理,有效解决了机器学习攻击问题。在Dolve-Yao模型下使用形式化验证工具AVISPA验证该协议的安全性,实验结果表明,该协议能够为车联网的V2I及V2V通信提供基本的安全保障。