【摘要】：物理不可克隆函數(shù)(PUF)是一種非常有前景的新興硬件安全技術(shù),可從集成電路制造過程中不可控制的隨機(jī)工藝偏差中提取硬件指紋�；赑UF的密鑰生成機(jī)制能夠?yàn)楝F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)系統(tǒng)提供低成本、高安全的密鑰。本文主要針對基于PUF的密鑰生成關(guān)鍵技術(shù)及FPGA實(shí)現(xiàn)中存在的問題進(jìn)行研究。首先,準(zhǔn)確評估PUF響應(yīng)的熵值,對基于PUF的密鑰生成應(yīng)用至關(guān)重要。由壓縮算法評估出的熵值上限太過寬松,而由最小熵計(jì)算得出的熵值下限則過于保守,尤其是在樣本大小較小的條件下。最小熵的實(shí)際值在這個(gè)上下限之間,但很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確評估。本文提出兩個(gè)模型來評估PUF片間最小熵的收斂值,其基本思想是探尋最小熵和漢明距離計(jì)算結(jié)果的期望值與測試樣本大小之間的關(guān)系,并以此預(yù)測最小熵的收斂值。對兩種不同類型的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)的測試結(jié)果顯示,這兩種評估方法可準(zhǔn)確評估PUF片間最小熵的收斂值,預(yù)測誤差均小于0.01/bit。其次,基于PUF的密鑰生成應(yīng)用通常需要較多響應(yīng),采用仲裁器(Arbiter)PUF相比其它PUF消耗的硬件資源更少。然而Arbiter PUF的FPGA實(shí)現(xiàn)面臨著非對稱布局布線導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)化延時(shí)偏置問題。針對該問題,提出一種偏置可調(diào)節(jié)的平行式Arbiter PUF結(jié)構(gòu),采用可編程延時(shí)線(PDL)構(gòu)成主體開關(guān)模塊,以額外的多路選擇器(MUX)開關(guān)模塊作為粗調(diào)單元,PDL開關(guān)模塊作為微調(diào)單元。基于這兩種調(diào)節(jié)單元,設(shè)計(jì)并優(yōu)化對響應(yīng)分組進(jìn)行自動偏置調(diào)節(jié)的算法。在Xilinx Artix-7 FPGA開發(fā)平臺上的實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示,偏置調(diào)節(jié)算法可有效改善Arbiter PUF的響應(yīng)偏置,顯著提高響應(yīng)的唯一性,片間漢明距離可提高至49.6%。再次,PUF響應(yīng)的熵值通常并不夠高,難以滿足密鑰生成應(yīng)用的安全需求。馮諾伊曼提取器能夠提高PUF響應(yīng)的最小熵,但其響應(yīng)利用率相對較低。針對該問題,提出一種改進(jìn)方法,將馮諾伊曼提取器處理過程中舍棄的響應(yīng)比特盡可能多的應(yīng)用于響應(yīng)糾錯(cuò)過程,以提高響應(yīng)利用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后馮諾伊曼提取器的響應(yīng)利用率可提高約2.5倍。最后,設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的基于PUF的密鑰生成器結(jié)構(gòu),采用經(jīng)改進(jìn)的馮諾伊曼提取器提高響應(yīng)的最小熵,然后對響應(yīng)進(jìn)行糾錯(cuò)。這種處理方法能夠保證糾錯(cuò)后響應(yīng)中具有足夠的剩余熵,同時(shí)降低對PUF原始響應(yīng)最小熵的要求。分別以SRAM PUF和Arbiter PUF為例評估密鑰生成方案,并在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)基于Arbiter PUF的密鑰生成方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采用該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)安全、可靠、實(shí)用的密鑰提取。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN918.4;TN791
【圖文】：

ROPUF結(jié)構(gòu)

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文FIXED_ROUTE 等。完成布局布線約束的 Arbiter PUF 核心如圖 4-10 所示，上下兩條延時(shí)路徑各占用7 個(gè) Slice 中的共 28 個(gè) LUT。最靠近 Arbiter 的 Slice 采用 4-1MUX 的方式構(gòu)成開關(guān)模塊，執(zhí)行非對稱布線約束，由 16 比特調(diào)節(jié)激勵(lì)控制；其余 4 個(gè) Slice 采用 4 控制端PDL 的方式構(gòu)成開關(guān)模塊，執(zhí)行對稱布線約束，分別由另外 16 比特調(diào)節(jié)激勵(lì)和 64 比特常規(guī)激勵(lì)控制。

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