基于RO電路變化PUF的FPGA實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代密碼協(xié)議規(guī)定只有授權(quán)參與者才可以獲得密鑰和訪問信息的權(quán)限。然而，通過侵入系統(tǒng)泄露密碼的方法層出不窮，給現(xiàn)代信息安全造成嚴(yán)重的威脅。對(duì)此問題，PUF不可克隆的優(yōu)點(diǎn)，為信息安全提供了進(jìn)一步的保障。例如：RO PUF、Arbiter PUF、SRAM PUF。通過把物理信息集成到電路設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)PUF的設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有RO PUF相比，PISO移位寄存器的運(yùn)用減少了更多的硬件資源。由4位激勵(lì)能夠產(chǎn)生16位隨機(jī)響應(yīng)，大大增加了激勵(lì)響應(yīng)對(duì)的數(shù)目，而且通過FPGA測(cè)得內(nèi)部漢明距離是符合要求的。

引言

加密是信息安全的一個(gè)分支，其中包括數(shù)據(jù)安全性、數(shù)據(jù)完整性和安全認(rèn)證機(jī)制。加密技術(shù)的使用使得通信安全有了保障。發(fā)送方終端通過密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，在接收終端以相同的密鑰或派生密鑰解密信息。加密體制依據(jù)解密與加密所用秘鑰是否相同，將其劃分為對(duì)稱和非對(duì)稱密碼兩種體制。在對(duì)稱密碼體制中，加密密鑰和解密密鑰是一樣的。而非對(duì)稱密碼體制中，加密密鑰和解密密鑰是分開的，不相同。加密的密鑰不應(yīng)該受到環(huán)境的影響，應(yīng)該是隨機(jī)的、可靠的以及抗側(cè)信道攻擊的。 一種基于PUF的密鑰產(chǎn)生機(jī)制如圖1所示。

經(jīng)典線性反饋移位寄存器用于隨機(jī)數(shù)生成。偽噪聲隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器（PN-RNG）是利用初始種子產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列的。由于有一組共同的初始種子，偽噪聲隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（PN-RNG)產(chǎn)生的隨機(jī)序列并不隨機(jī)，如果有人存儲(chǔ)這些序列，根據(jù)序列之間的相關(guān)性，即PN-RNG在產(chǎn)生最大值之后開始產(chǎn)生相同的序列，對(duì)手可以預(yù)測(cè)到下一個(gè)序列[1]。加密密鑰是數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵，秘鑰一定是可信可靠的隨機(jī)數(shù)。真正可靠的密碼體系應(yīng)該是：即便破譯者可以加密任何的明文，也沒法破譯密文。一般地，如果僅根據(jù)密文就可以推算出明文或密鑰，則稱這個(gè)密碼體制是可破譯的?；鶢柣舴蛟瓌t指出“一個(gè)密碼體制是安全的，其總的前提就是假設(shè)密碼分析者已經(jīng)知道了密碼體制的算法，體制的安全性僅依賴于密鑰的保密”?，F(xiàn)在的人喜歡依賴手機(jī)進(jìn)行電子交易，所以信息安全得到了更多的關(guān)注。硅密鑰因?yàn)榫哂胁豢煽寺〉奶攸c(diǎn)而被優(yōu)選，不可克隆是指：即使用相同的材料也不能制造出2個(gè)性能相同的設(shè)備。2001年Srini Devadas(麻省理工學(xué)院CSAIL)提出了用物理不可克隆函數(shù)(PUF)來(lái)生成密鑰的IC。PUF是一種基于器件和工藝偏差的體系。從PUF系統(tǒng)可以產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)數(shù)，不過PUF產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)必須經(jīng)過編碼才能獲取想要的密鑰。PUF電路利用器件的特定屬性生成隨機(jī)數(shù)，這些屬性是無(wú)法克隆的，并且很難預(yù)測(cè)。根據(jù)半導(dǎo)體的任何可變屬性都可以用來(lái)構(gòu)建PUF。延遲、頻率和SRAM上電初值的PUF，已在早期研究工作中有所研究，這些PUF[3]都反應(yīng)了制造設(shè)備的隨機(jī)性變化。PUF電路必須能夠產(chǎn)生大量的激勵(lì)響應(yīng)對(duì)。對(duì)于每個(gè)激勵(lì)響應(yīng)都應(yīng)該獨(dú)特而不可預(yù)測(cè)。對(duì)于不同的PUF，同樣的激勵(lì)生成的PUF響應(yīng)應(yīng)該都是不同的。PUF的性能可以用唯一性、可靠性和穩(wěn)定性衡量。唯一性一般用內(nèi)部漢明距離表示，理想值μ=0%。它代表了對(duì)于不同的PUF給予相同的激勵(lì)條件，得到響應(yīng)之間的差異性。文獻(xiàn)[3]中展示了唯一性，用這種特性來(lái)識(shí)別電路?？煽啃砸话阌闷g漢明距離表示，理想情況下μ=0%。它代表對(duì)于同一個(gè)PUF，給予兩個(gè)相同的激勵(lì)，得到響應(yīng)之間的差異性。穩(wěn)定性表示響應(yīng)受溫度、老化效應(yīng)、電源電壓、噪聲等環(huán)境的影響。理想的響應(yīng)應(yīng)該是獨(dú)立于這些因素的[4]。

1典型RO-PUF

RO PUF是PUF中常見的應(yīng)用之一，其基本結(jié)構(gòu)單元是環(huán)形振蕩器(Ring-Oscillator，RO)。RO的構(gòu)成如圖2所示。

環(huán)形震蕩PUF是一個(gè)將激勵(lì)映射到響應(yīng)的頻率變化函數(shù)。RO PUF是由于工藝偏差而產(chǎn)生的變化頻率來(lái)生成隨機(jī)數(shù)的。圖3給出了N個(gè)環(huán)振蕩器產(chǎn)生的不同頻率f1，f2，…fn，這里2個(gè)并行的多路復(fù)用器的選擇取決于輸入激勵(lì)。兩個(gè)多路復(fù)用器選定兩個(gè)不同的頻率 ，它們分別作為n位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。然后，兩個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)選定的兩個(gè)頻率開始計(jì)數(shù)。如果Q1>Q2響應(yīng)為1，否則輸出響應(yīng)為0。

2本文提出的方案

本設(shè)計(jì)是利用不同數(shù)量的環(huán)形振蕩器而不是基于工藝偏差用相同數(shù)量的環(huán)形振蕩器來(lái)獲得變化的頻率。圖4所示的電路圖有3個(gè)工作模塊：(1)產(chǎn)生不同頻率的環(huán)形振蕩器，分別用不同階數(shù)的RO震蕩環(huán)產(chǎn)生5個(gè)不同的震蕩頻率；(2)映射階段，它是一個(gè)D觸發(fā)器的級(jí)聯(lián)，將環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的任意兩個(gè)頻率作為D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入和時(shí)鐘輸入，輸出是一個(gè)采樣頻率。本設(shè)計(jì)中將F1、F2、F3、F4作為D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入，其對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘輸入分別為F2、F3、F4、F5；(3)選擇電路，基于多路復(fù)用器的選擇電路，根據(jù)激勵(lì)輸入選擇4個(gè)時(shí)鐘脈沖，并作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖。在計(jì)數(shù)某個(gè)確定時(shí)間后，計(jì)數(shù)器值鎖存到PISO移位寄存器，在移位寄存器的每個(gè)時(shí)鐘有效邊沿產(chǎn)生1位響應(yīng)，重復(fù)16次，獲得16位響應(yīng)。圖4電路代表激勵(lì)響應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的方案，4位激勵(lì)被映射到16位響應(yīng)，這個(gè)PUF是變化頻率和頻率映射階段的隨機(jī)函數(shù)。提出的電路結(jié)構(gòu)在Virtex5上得到驗(yàn)證。

2.1環(huán)形振蕩器

電路由5個(gè)具有奇數(shù)個(gè)反相器的環(huán)形振蕩器組成，目的是獲得不同的變化頻率。每個(gè)RO由圖5所示的nand門的輸入Enable控制，使能Enable信號(hào)為高開始振蕩。環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個(gè)反相器構(gòu)成，其頻率取決于反相器的階數(shù)，對(duì)于N階環(huán)形振蕩器，振蕩頻率為：Fosc=1/τpd=1/(2Nτp)，其中τpd=τphl+τplh，N為反向器的階數(shù)[5]。從表達(dá)式發(fā)現(xiàn)，隨著反相器階數(shù)的增加，頻率下降，頻率也彼此接近。表1顯示震蕩頻率隨著反相器數(shù)量的增加而發(fā)生變化。

2.2映射階段

它是由4級(jí)D觸發(fā)器級(jí)聯(lián)，D觸發(fā)器將兩個(gè)頻率中一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入，另一個(gè)作為時(shí)鐘輸入，獲得一個(gè)采樣輸出，圖6所示的第一行4級(jí)D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端接F1，時(shí)鐘輸入接F2，采樣輸出記為CLK1。在本設(shè)計(jì)中使用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)有效; 如果D觸發(fā)器時(shí)鐘上升沿比數(shù)據(jù)上升沿提前，輸出保持上次結(jié)果不變，如果時(shí)鐘上升沿比數(shù)據(jù)上升沿落后，則輸出與觸發(fā)器數(shù)據(jù)端輸入端一樣。同理，第二行、第三行、第四行4級(jí)級(jí)聯(lián)的D觸發(fā)器產(chǎn)生CLK2、CLK3、CLK4，產(chǎn)生的4個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)將用于下一級(jí)的頻率比較階段。由于振蕩器頻率不同，它們的邊緣到達(dá)時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的，這就增加了更多的隨機(jī)性到PUF電路。在數(shù)據(jù)和時(shí)鐘邊緣同時(shí)到達(dá)的情況下將導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)，在下一個(gè)邊沿時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生完全不可預(yù)測(cè)的電路輸出（高或低）。并且本文采用的是慢時(shí)鐘采快時(shí)鐘，根據(jù)麥奎斯特采樣定理，肯定會(huì)有信號(hào)遺漏，但是我們并不是想要最后得到完整的數(shù)據(jù)信號(hào)，僅僅是利用丟失信號(hào)的不確定性來(lái)增加PUF電路的隨機(jī)性。

2.3選擇電路

圖7所示電路是多路復(fù)用器構(gòu)成的選擇電路。時(shí)鐘上升沿到來(lái)計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)某個(gè)確定時(shí)間后，計(jì)數(shù)器值鎖存到PISO移位寄存器，在移位寄存器的每個(gè)時(shí)鐘有效邊沿產(chǎn)生1位響應(yīng)，重復(fù)16次，獲得16位響應(yīng)。圖8給出了16個(gè)激勵(lì)的內(nèi)部漢明距離，這幾乎是理想的值。本文提出的PUF結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的RO PUF相比，需要更少的硬件資源。圖3顯示了2個(gè)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生1位響應(yīng)的RO結(jié)構(gòu)。要有16位響應(yīng)，它需要32個(gè)計(jì)數(shù)器和16個(gè)比較器并行工作。并且提出的PUF結(jié)構(gòu)相對(duì)于RO PUF在計(jì)數(shù)階段消除了硬件復(fù)雜性，并從單個(gè)計(jì)數(shù)器和PISO移位寄存器直接產(chǎn)生16位響應(yīng)。

本文提出了一種新穎的基于硬件的產(chǎn)生激勵(lì)響應(yīng)對(duì)的RO PUF結(jié)構(gòu)，其結(jié)合電路變化而不是工藝偏差。運(yùn)用頻率映射與PUF結(jié)合的策略產(chǎn)生隨機(jī)性響應(yīng)，響應(yīng)的內(nèi)部漢明距離幾乎達(dá)到理想值。PUF的早期設(shè)計(jì)中2個(gè)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生1位響應(yīng)，當(dāng)前設(shè)計(jì)中用相同位數(shù)的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生16位響應(yīng)。在接下來(lái)的研究中計(jì)數(shù)器和PISO移位寄存器的大小可以增強(qiáng)到255位，為AES加密算法生成128位密鑰。

3實(shí)驗(yàn)與分析

本文將上述方案在FPGA平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)開發(fā)板：Xilinx Virtex5，開發(fā)軟件：集成開發(fā)環(huán)境ISE，仿真工具M(jìn)odelsim，測(cè)試和分析工具ChipScope；開發(fā)語(yǔ)言：Verilog HDL。經(jīng)過XST綜合后的FPGA配置文件下載到開發(fā)板上，時(shí)鐘周期是50 ns，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為0.512 μs。用ChipScope 軟件抓取輸入激勵(lì)與其對(duì)應(yīng)輸出響應(yīng)的波形圖。通過ChipScope 導(dǎo)出的波形圖，解析出激勵(lì)-響應(yīng)對(duì)。在測(cè)試過程中，對(duì)電路進(jìn)行了50 次測(cè)試，每次測(cè)試能夠得到16個(gè)激勵(lì)-響應(yīng)對(duì)，對(duì)同一個(gè)激勵(lì)產(chǎn)生的50個(gè)響應(yīng)計(jì)算內(nèi)部漢明距離，結(jié)果表明，該電路對(duì)于同一激勵(lì)的響應(yīng)內(nèi)部漢明距離最大為0.277 8，最小可以達(dá)到0.080 0，大部分分布在0.200 0左右，文獻(xiàn)[14]中測(cè)得的內(nèi)部漢明距離9次達(dá)到0.310 0，6次達(dá)到0.190 0，1次達(dá)到0.250 0，所以比較文獻(xiàn)[14]，本文設(shè)計(jì)的PUF較優(yōu)，該設(shè)計(jì)滿足PUF函數(shù)的相關(guān)要求。

4結(jié)論

本文的設(shè)計(jì)是通過把物理信息集成到電路設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)PUF的設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有RO PUF相比，PISO位寄存器的運(yùn)用減少了更多的硬件資源。由4位激勵(lì)能夠產(chǎn)生16位隨機(jī)響應(yīng)，大大增加了激勵(lì)響應(yīng)對(duì)的數(shù)目，也即增加了ID的數(shù)量，安全性得到提高。并且經(jīng)由FPGA驗(yàn)證本文改良后的RO PUF具有更高的“片內(nèi)穩(wěn)定性”。環(huán)境溫度、供電電壓是影響片內(nèi)穩(wěn)定性的重要因素，確保ID不隨溫度、電壓發(fā)生變化，并且精確可重復(fù)生成是未來(lái)研究的方向。