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0.125μm~2,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SRAM物理不可克隆函数的高效真随机种子发生器设计

该文设计了一种基于SRAM物理不可克隆函数(PUFs)的高效真随机种子发生器。通过将不提供熵值的稳定节点和提供低熵值的噪声节点筛除,只选用能够提供较高熵值的噪声节点来生成满熵种子,大幅降低需要处理的数据量,提高节点数据的处理效率。通过测试SRAM PUFs内部噪声节点的振荡特性,提出筛选出SRAM PUFs内部高熵值的噪声节点的最佳策略,最终基于此策略设计出真随机种子发生器。该设计可以产生128~256 bit长度的满熵的种子且处理的节点数据量只有当前方法的0.5%~4%。生成的种子满足NIST架构的随机数生成器要求,产生的伪随机数全部通过了随机数检测。与现有设计相比,该文提出的真随机种子发生器是一种高效的、适用范围较广的设计。

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.

采用RDF的硅物理不可克隆函数设计与评估

利用65nm CMOS制造工艺下的随机掺杂涨落(RDF)模型,建立起随机路径延时模型,通过修改台积电(TSMC)65nm低k电介质工艺器件模型库参数,完成了仲裁器型PUF电路的设计和评估。实验在Synopsys Hspice C-2010模拟设计平台上完成,测量了PUF电路的片间差异和片内差异参数,评估了128位PUF电路的性能。与实测电路参数的对比结果证明了该方法的有效性。

片上SRAM物理不可克隆函数特性优化设计

业内常用静态随机存储器(SRAM)物理不可克隆函数(PUF)通过片上SRAM上电初始状态的固有物理特性生成系统安全密钥。但在系统不能充分掉电的情况下,片上集成SRAM上电后保持了上次掉电前的状态,无法生成固有的物理特性密钥。提出了一种在系统不能充分掉电情况下的电源控制电路,确保SRAM单元充分掉电,从而保证片上SRAM上电初始状态的物理特性。

FPGA平台上基于PUF的随机数产生技术

基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的物理不可克隆函数(Physically Unclonable Functions,PUF)技术的基本原理和优缺点,分析FPGA PUF技术输出特征值原理和特性,针对基于环形振荡器的物理不可克隆函数(Ring Oscillator Based Physically Unclonable Functions,RO-PUF)输出响应存在噪声的特性,引入特征池、哈希算法等技术,在赛灵思K7-325T FPGA上实现了随机数发生器。并对实现平台在不同环境温度下进行随机性测试。实验结果表明,该FPGA PUF技术的随机数产生技术可以产生高质量的随机数序列,可以满足部分密码应用场景对随机数的需求。

用于SRAM PUFs的伪随机数发生器的FPGA实现

信息安全问题日益突出,而随机数则是信息安全系统的基石.本文以哈希算法为核心设计了一种伪随机数发生器,其以静态随机存储器物理不可克隆函数(Static Random Access Memory Physical Unclonable Functions,SRAM PUFs)为熵源,能够产生大量的伪随机序列.通过对熵源有效性的在线监测以及对种子的动态重播操作,本文提出的用于SRAM PUFs的伪随机数发生器提高了伪随机序列的安全性,可应用于各种高安全等级加密系统中.该发生器在FPGA开发平台上得到实现,其发生速度达598.1Mbps.随机数检测套件NIST分析结果表明:该伪随机数发生器的输出通过了所有测试项目,具有良好的随机性.

基于仲裁器PUF的SRAM FPGA防克隆技术设计与实现

为保护电子设备中使用的静态随机存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)内部电路设计不被窃取,设计了用于SRAM FPGA的防克隆电路。该电路利用FPGA制造过程中的随机误差,提取每块芯片独一无二的ID。在此ID的控制下,被保护电路只能在指定的FPGA中正常运行,而在未指定的FPGA中运行时,无法产生正确的输出,从而达到防克隆目的。防克隆电路由使用仲裁器的物理不可克隆函数(PUF)、多数表决器、运算门阵列等三部分构成,其中仲裁器PUF电路用于提取ID,多数表决器起到提高输出稳定性的作用。最后在FPGA开发平台上证明了该电路的可行性。

基于RS和BCH码的SRAM-PUF密钥提取方法及性能分析

物理不可克隆函数(PUF)是芯片制造过程中随机偏差形成的唯一和不可复制的物理指纹,使用这个特征可以鉴别各个芯片,然而PUF芯片因环境变化会影响输出,导致在认证应用时可能失败。介绍了模糊提取器的密钥提取方法,通过在静态随机存取存储器(SRAM)-PUF芯片中加入里德-所罗门(RS)硬解码,在认证系统中加入BCH软解码模块,纠正PUF在一定范围内变化来确保通过认证,并对SRAM-PUF电路在三温下进行实验分析。实验结果表明,SRAM-PUF电路的PUF点分布有较好的均衡性,在常温时可靠性接近100%,在低温条件下可靠性范围为98.84%~100%,在高温条件下,可靠性范围为97.77%~99%,当RS码和BCH码设计的纠错能力大于PUF可靠性时能够通过认证。

基于电桥失衡效应的高随机性PUF电路设计

通过对物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions,PUF)电路和电桥失衡效应的研究,提出一种高随机性PUF电路设计方案.该方案首先利用工艺偏差导致电桥失衡产生随机偏差电压,然后结合电压型灵敏放大器产生随机的、不可克隆的响应信号.在TSMC 65 nm CMOS工艺下,采用全定制方法设计PUF电路,PUF单元电路的版图面积为2.23μm×2.43μm.通过Spectre软件,在不同电压下对所设计PUF电路进行Monte Carlo仿真验证,分析其逻辑功能、随机性等特性.实验结果表明:所设计的PUF电路在电源电压1.2 V和温度25℃下随机性可达51.8%.

一种基于熵源分离模型的可重构安全原语

在信息爆炸时代,信息的安全问题受到了广泛关注。在物联网设备的加密协议中,物理不可克隆函数(PUF)与真随机数发生器成为加密协议中基本的安全原语,提供了轻量级的解决方案。文章提出了一种熵源分离模型,能够分离环形振荡器中抖动(真随机数发生器的熵)和工艺偏差(PUF熵)引起的延时。基于该模型,在FPGA上设计了一种可重构的双工作模式电路,通过改变模式可分别生成PUF和真随机数。相较于FPGA上独立设计的PUF和真随机数发生器,该结构具有资源开销小、面积利用率高、功耗低等优势。实验结果表明,生成的PUF稳定性高、唯一性强、均匀性好;真随机数序列均通过了NIST测试,具有高随机性和不可预测性。

基于TRNG与PUF集成结构的安全加密认证系统

真随机数发生器(TRNG)与物理不可克隆函数(PUF)是安全加密认证系统的重要安全基元.然而传统TRNG通常需要额外的后处理电路.通过两个不同模块同时实现TRNG与PUF结构的电路,其面积消耗过大且结构复杂.为此,在优化TRNG的基础之上,利用FPGA实现了一种适用于物联网设备的TRNG与PUF轻量级集成设计.采用快速进位链逻辑实现了TRNG,同时使用固定的比较链和多重检测的方法对传统环形振荡器型物理不可克隆函数(RO-PUF)进行了改进.采用PYNQ-Z2开发板对所提出的结构进行验证,实验结果表明:所设计的TRNG结构无需后处理过程即可通过15项NIST SP 800-22统计测试,每比特随机数的熵值为0.999997,吞吐率可达125Mbps.改进的PUF具有良好的均匀性、稳定性和接近理想的唯一性,分别为47.45%,99.48%和50.12%.

基于RRAM延时单元的PUF设计

随着技术的发展,信息安全受到了很大挑战.物理不可克隆函数(Physically Unclonable Function,PUF)电路是一种新型的密钥生成电路,阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)可以为其提供物理随机熵源,这使得PUF在物理上不可被攻击.但目前在基于RRAM的PUF设计方案中,RRAM延时单元的测试响应对(Challenge Response Pair,CRP)效率并不够高.本文提出一种基于RRAM延时单元的PUF结构,延时单元将RRAM的阻值输出到反向器中,形成脉冲的延迟,最后通过判决器判断两路脉冲达到顺序并编码为"0"和"1",这就是PUF的输出位.基于RRAM延时单元,本文设计了8位、16位、32位、64位PUF,这些PUF在保证良好的随机性、稳定性、唯一性的前提下,大大提高了PUF的RRAM单元效率.实验结果表明:该设计能够有效的提高RRAM使用效率,使得PUF能够更好地防止外界的攻击.

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。

基于国密算法和PUF的企业用户身份认证系统

针对当前企业信息系统登录方法安全性和可扩展性的不足,设计一种基于国密算法和PUF(物理不可克隆函数)的企业用户身份认证系统。该系统借鉴FIDO U2F(线上快速第二因子身份认证)认证框架,以身份识别令牌作为认证第二因子,使用国产加密算法实现安全性的自主可控,同时在身份令牌中集成了PUF和真随机数发生器,以达到提升安全性和可扩展性的目的。安全性分析表明,该系统的安全性显著高于现有技术实现。实验测试结果表明,该系统运行开销较低,稳定可靠,能够方便、快捷地部署在企业信息系统中。

基于石墨烯电极RRAM的混合型PUF指纹电路

该文提出了一种基于阻变存储器(RRAM)的混合型物理不可克隆函数(PUF)芯片指纹电路。RRAM器件采用石墨烯电极、对称山型结构实现,具有阻值分布宽、开关比大的特点;通过引入对称RRAM阻值偏差作为PUF单元的随机熵源,提升PUF的唯一性;采用RRAM不同阻态阻值放大存储PUF单元初始偏差,提升PUF的稳定性;利用RRAM循环间随机性实现指纹ID的重构,提升PUF的安全性。混合型PUF芯片指纹电路在0.35μm CMOS工艺下设计实现。仿真结果表明,PUF输出具有良好的稳定性与唯一性,标准温度电压下片间汉明距离为49.95%,同时温度在−40℃~100℃,电源电压在4.6 V~5.4 V范围内变化时,PUF比特错误率为0。