【摘要】：近些年來,隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展和指紋識(shí)別技術(shù)的廣泛應(yīng)用,物理不可克隆函數(shù)(Physical Unclonable Function,PUF)的概念應(yīng)運(yùn)而生。憑借高安全、輕量級(jí)和低功耗等良好特性,已經(jīng)逐漸發(fā)展為硬件安全領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文在深入研究物理不可克隆函數(shù)的原理和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上,結(jié)合目前嵌入式系統(tǒng)中一些比較常見的安全問題:IP(Intellectual Property)盜竊、反向設(shè)計(jì)攻擊和一系列針對(duì)密鑰的攻擊等,提出了PUF輔助安全設(shè)計(jì)機(jī)制,對(duì)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行保護(hù)。本文的主要研究工作如下:首先介紹PUF的基本概念和特點(diǎn),結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,對(duì)不同的PUF進(jìn)行對(duì)比,并且分析針對(duì)PUF的一些常見攻擊。上述的研究對(duì)于PUF在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。其次,針對(duì)集成電路中硬件IP核的安全問題展開研究,提出基于PUF的硬件IP核混淆保護(hù)技術(shù)。通過三種不同的門級(jí)混淆方法,對(duì)原電路的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行隱藏。這種方法可以在IP核的生產(chǎn)制造等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行保護(hù),同時(shí)削弱反向設(shè)計(jì)的攻擊。再次,研究基于指令級(jí)PUF的安全嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。結(jié)合指令級(jí)PUF,探索硬件和軟件相互認(rèn)證的機(jī)制,對(duì)硬件和軟件同時(shí)進(jìn)行加密保護(hù)。該機(jī)制可以增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件的可信度。然后,考慮到目前大多數(shù)PUF存在可靠性差的問題,實(shí)現(xiàn)新型數(shù)字PUF。通過研究FPGA(Field Programmable Gate Array)中LUT(Look-Up Table)的特點(diǎn),建立基于LUT網(wǎng)絡(luò)的PUF模型,并在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。數(shù)字PUF可以在溫度、電壓等環(huán)境變化的情況下,仍然輸出穩(wěn)定的數(shù)據(jù),具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。最后,使用基于SRAM的PUF,實(shí)現(xiàn)高安全、高吞吐量的硬件真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。分析SRAM內(nèi)部未初始化的噪音特點(diǎn),研究提取真隨機(jī)數(shù)種子的方法,結(jié)合數(shù)字PUF,產(chǎn)生大量的隨機(jī)數(shù)。這種隨機(jī)數(shù)發(fā)生器適合在需要大量密鑰的環(huán)境下使用,如傳感器網(wǎng)絡(luò)等。本論文通過使用PUF對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的硬件IP、軟件IP以及隨機(jī)數(shù)發(fā)生器進(jìn)行安全設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),測(cè)試結(jié)果表明,PUF可以提高嵌入式系統(tǒng)的安全性,并且對(duì)系統(tǒng)的功耗、成本和性能影響很小。本論文的研究成果在嵌入式安全領(lǐng)域具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP368.1;TP309
【圖文】：

線 grid 交錯(cuò)出現(xiàn)。該 PUF 的電路結(jié)構(gòu)如圖 1.5 所示。該電路 SMC 和電壓比較器。SMC 被部署到芯片的不同位置上，根據(jù)SMC 輪流工作，在某個(gè)時(shí)刻，一個(gè)或者多個(gè) SMC 可以同時(shí)工量所在位置對(duì)稱 grid 上電壓值。由于對(duì)稱走線的工藝偏差，所個(gè)電壓值存在微弱偏差，同時(shí)利用電壓比較器對(duì)兩個(gè)電壓值進(jìn) 輸出。這里定義 scan data 為激勵(lì)，判決 0/1 輸出為響應(yīng)。導(dǎo)線的電阻隨溫度呈線性變化，所以在基于電源網(wǎng)格的 PUF 中措施，如設(shè)計(jì)抵抗如電遷移等老化效應(yīng)�；陔娫淳W(wǎng)格的 PUF芯片內(nèi)部單獨(dú)一個(gè)金屬模塊實(shí)現(xiàn)。然而，這個(gè)金屬模塊需要占源，例如，在大多數(shù)商業(yè)設(shè)計(jì)中，需要占用 15％～25%。的電源網(wǎng)格一般是堆疊結(jié)構(gòu)，這些金屬導(dǎo)線的互聯(lián)使影響導(dǎo)線雜。因此，這也增加了模板攻擊的難度。

-bit全加器的混淆化處理設(shè)計(jì)

；（b）被替代電路的真值表（a） (b)入信號(hào)是 I2、I1 和 I0，輸出的信號(hào)作為 P輸出。在這個(gè)簡(jiǎn)單的 PUF 模型中，可配置邏不具備足夠的 PUF 內(nèi)部特征信息，那么 CR測(cè)試中所使用的 PUF 輸入向量空間太小，暴輸入。我們將在后面章節(jié)具體說明隨著 P會(huì)隨之提高。I2 I1 I0 C0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 C1 C0 R0 0 10 1 --1 0 01 1 1

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本文編號(hào)：2776993