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CNFET的高性能三值SRAM-PUF电路设计

通过对碳纳米管场效应晶体管(Carbon Nanotube Field Effect Transistor,CNFET)和物理不可克隆函(Physical Unclonable Functions,PUF)电路的研究,提出一种高性能三值SRAM-PUF电路结构.该电路结构首先利用交叉耦合三值反相器产生随机电流,并对其电流进行失配分析;然后结合三值SRAM单元的电流竞争得到随机的、不可克隆的三值输出信号"0"、"1"和"2".在32nm CNFET标准模型库下,采用HSPICE对所设计的三值SRAM-PUF电路进行Monte Carlo仿真,分析其随机性、唯一性等性能.模拟结果表明所设计的三值SRAM-PUF电路归一化随机性偏差和唯一性偏差均为0.03%,且与传统二值CMOS设计的PUF电路相比工作速度提高33%,激励响应对数量为原来的(1.5)n倍.

基于SRAM-PUF的秘钥提取方案设计

物理不可克隆函数(PUF)为硬件提供了安全有效的防物理侵入式攻击的机制,而SRAMPUF是其中应用最为广泛的一种。而为了在输入相同的激励时,得到唯一、随机的密钥,本文根据不同SRAMPUF电路芯片上电复位值的实验结果,针对不同的芯片,设计了直接判断法和基于模糊提取器两种密钥提取方案。模糊提取器分为生成阶段和重建阶段,在生成阶段采用里德-所罗门(Reed-Solomon,RS)码产生辅助数据,在重建阶段利用RS码译码输出稳定的响应序列。最后利用ARM和FPGA仿真平台验证了基于RS纠错码的模糊提取器方案,仿真结果表明RS码可以有效的纠正响应序列中产生的随机错误。

一种0.11μm SRAM PUF芯片的测试与分析

物理不可克隆函数(PUF)是一种新型的信息安全硬件,在物联网、消费电子等领域正得到越来越广泛的应用。由于易于设计和制造,而且性能稳定,基于SRAM的PUF是目前得到工业界最广泛应用的PUF类型。针对一款自主设计的基于华虹0.11μm CMOS工艺的SRAM PUF,通过设计FPGA测试电路,PUF芯片测试板,对PUF芯片的片内汉明距离、片间汉明距离、稳定性等关键指标进行了详细测试和分析。测试结果表明,该PUF的片间汉明距离达到42.2%,片内汉明距离20.0%,可以满足身份识别、电子标签等应用的需求。同时,提出了对不稳定位进行筛选的系统级优化方法,可以在不进行模糊提取的情况下将片内汉明距离降低到2.1%。

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。

一种基于SRAM PUF的安全双向认证协议

物联网时代,海量的各种设备通过网络相互连接,在带来了方便的同时,也把这些资源有限的设备暴露在攻击者的面前.为了对抗攻击,数据加密和访问控制是必不可少的防护措施,因此密钥存储和身份认证就成为关键点.物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)是一种硬件安全组件,它基于芯片制造过程中的随机偏差,使得每个PUF具有唯一性并且物理不可克隆,它的常见应用是密钥存储和身份认证.SRAM PUF是利用芯片中广泛存在的SRAM作为PUF,由于制造的随机偏差使得SRAM的cell中,设计上对称的晶体管,实际上却存在微小的差异,最终表现在不同的SRAM上电初始值完全不同.由于环境噪声的影响,同一个SRAM上电初始值不完全相同,呈现出一定的随机性.目前通用的双向认证协议中,使用对称加密算法加密随机数来实现,加密的密钥是固定的,存在被侧信道分析获得的风险.本文提出一种基于SRAM PUF的双向认证协议,在原有的协议基础上,使用认证双方能够一致获得的随机密钥,这样使得侧信道分析不再有效,只增加了很小的开销就可以明显提升安全性,非常适合于资源有限的轻量级设备.

一种基于BCH算法的SRAM PUF芯片的设计、测试与分析

物理不可克隆功能是一种新型的信息安全硬件,在物联网、消费电子等领域得到了越来越广泛的应用。基于SRAM的PUF是工业上应用最广泛的一种类型。基于华宏0.11μm CMOS工艺的SRAM PUF,通过引入BCH算法解决了SRAM的不稳定性造成的误码率问题。通过设计单片机测试电路和PUF芯片测试板,对PUF芯片的片内汉明距离、片间汉明距离和稳定性等关键指标进行了详细的测试和分析。测试结果表明,PUF的片间汉明距离达到42.2%,片内汉明距离达到20.0%,并且具有很好地电压稳定性与温度稳定性。在BCH算法纠错机制运行的情况下芯片片内汉明距离降为0,很好地解决了PUF实现过程中的误码率问题。基于本项研究可知,通过BCH算法与SRAM单元相结合的方式可以很好地解决PUF常出现的不稳定性的问题。BCH算法与SRAM单元相结合的PUF芯片可以很好地满足识别、电子标签等应用的需要。

嵌入式系统中的内生存储器PUF研究综述

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions,PUF)可视为一种“芯片指纹”,具有轻量级、不可预测、难以克隆等特性,已经成为物联网硬件安全机制的重要组成部分。然而,传统PUF的实现需要在硬件层面增加FPGA或专用集成电路,会增加硬件成本。对于数以亿计的现有物联网嵌入式设备,难以通过硬件改造来增加PUF安全属性。因此,从现有设备的硬件结构中挖掘固有PUF(Intrinsic PUF,IPUF)成为PUF研究与产业化的关键组成部分。本工作将对已有的IPUF,尤其是基于存储器的IPUF(Memroy based Intrinsic PUF,MIPUF)相关工作进行系统综述,并针对IPUF在现有系统中的可实现性及未来的发展方向进行讨论,以推动该技术的工程应用。

基于SRAM PUF电路的AES算法设计

通过对物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions,PUF)电路和高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)算法的研究,提出一种基于SRAM PUF电路的AES算法设计方案.方案首先验证SRAM上电初始值具有随机性分布特征,并利用跟轨迹法提取SRAM PUF电路稳定的输出位;其次利用SRAM PUF电路稳定输出值的物理不可克隆属性设计密钥扩展算法,使其具备单向性和硬件识别特性.最后设计所提算法的硬件结构并通过FPGA验证.