【摘要】：隨著社會信息化發(fā)展的進(jìn)一步深入,信息安全問題越來越受到人們的重視。物理不可克隆函數(shù)(Physical Unclonable Function,PUF)作為一種新型的加密組件日漸受到研究者們的關(guān)注。PUF的原理是通過提取集成電路在制造過程中由于制造工藝的不一致性而引入的隨機差異,來實現(xiàn)加密信息(響應(yīng))的生成。由于PUF具有不可克隆性,不可預(yù)測性等特點,它在設(shè)備授權(quán)/認(rèn)證、IP核保護、密鑰生成等信息安全領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文先從PUF的實現(xiàn)原理,分類、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面入手,對PUF的概念作了系統(tǒng)的梳理。文章接下來的內(nèi)容圍繞著經(jīng)典的PUF結(jié)構(gòu)——環(huán)形振蕩器(Ring Oscillator,RO)展開。文中首先分析了支持激勵響應(yīng)對(Challenge/Response Pairs,CRPs)和不支持CRPs兩種類型RO PUF系統(tǒng)的區(qū)別和系統(tǒng)中各個模塊的功能和設(shè)計。另外,為了保證RO PUF具有良好的PUF特性,RO陣列中每個RO需要具備相同的結(jié)構(gòu)和相近的物理位置,本文中采用了Xilinx FPGA工具中提供的Hard Macro技術(shù)并通過添加約束的方法來實現(xiàn)。其次,通過對193塊FPGA中RO振蕩頻率的統(tǒng)計分析,在RO陣列中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了三種RO頻率分布特點。根據(jù)這三個特點本文提出了三種新的RO比較策略,并通過從響應(yīng)信息熵密度這一角度對五種不同的比較策略進(jìn)行了定量評估,結(jié)果顯示新提出的對稱比較策略擁有最好的響應(yīng)質(zhì)量。同時也說明了RO頻率分布特點對RO PUF的RO比較策略設(shè)計以及安全性改善具有重要的指導(dǎo)意義。最后,本文提出了一種新型PUF結(jié)構(gòu)——可重構(gòu)RO(Reconfigurable RO,RRO)PUF,一種以改善RO PUF硬件使用效率和響應(yīng)唯一性為目的的PUF結(jié)構(gòu)。文中論述了RRO PUF的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、系統(tǒng)設(shè)計、硬件資源消耗分析等內(nèi)容,并根據(jù)RRO PUF的原理,設(shè)計了一種新的響應(yīng)提取策略——RRO比較策略。此外,文中還分析了RRO在Xilinx Spartan-6FPGA中實現(xiàn)后的電路結(jié)構(gòu)特點以及在FPGA中實現(xiàn)的過程中需要的作出的調(diào)整優(yōu)化。根據(jù)實驗結(jié)果顯示:相比于RO PUF,RRO PUF不僅具有更高硬件使用效率,而且其響應(yīng)的唯一性和隨機性也更好。
[Abstract]:With the further development of information technology, people pay more and more attention to the problem of information security. As a new encryption component, physical non-clone function (Physical Unclonable Function,PUF) is paid more and more attention to by researchers. The principle of PUF is to extract the random differences caused by the inconsistency of manufacturing process in integrated circuits. To realize the generation of encryption information (response). Because PUF has the characteristics of non-cloning and unpredictability, it has a broad application prospect in the field of information security such as IP core protection and key generation of device authorization / authentication. This paper begins with the realization principle, classification, property and structure of PUF, and systematically combs the concept of PUF. The next part of the paper revolves around the classical PUF structure-ring oscillator (Ring Oscillator,RO). In this paper, the differences between two types of RO PUF systems (Challenge/Response Pairs,CRPs and CRPs) and the function and design of each module in the system are analyzed. In addition, in order to ensure that RO PUF has good PUF characteristics each RO in RO array needs the same structure and similar physical position. In this paper, the Hard Macro technology provided by Xilinx FPGA tools is adopted and implemented by adding constraints. Secondly, through the statistical analysis of the RO oscillation frequency in 193 FPGA blocks, three kinds of RO frequency distribution characteristics are found and summarized in the RO array. According to these three characteristics, three new RO comparison strategies are proposed, and five different comparison strategies are quantitatively evaluated from the point of view of the entropy density of response information. The results show that the new symmetric comparison strategy has the best response quality. It also shows that the characteristics of RO frequency distribution have important guiding significance for RO comparison strategy design and security improvement of RO PUF. Finally, a new PUF architecture, reconfigurable RO (Reconfigurable RO,RRO) PUF, is proposed in this paper, which is designed to improve the efficiency of RO PUF hardware and the uniqueness of its response. In this paper, the basic structure, working principle, system design and hardware resource consumption analysis of RRO PUF are discussed. According to the principle of RRO PUF, a new strategy of response extraction is designed. In addition, this paper also analyzes the circuit structure characteristics of RRO in Xilinx Spartan-6FPGA and the adjustment and optimization needed in the process of realization in FPGA. The experimental results show that compared with RO PUF,RRO PUF, it not only has higher hardware efficiency, but also has better response uniqueness and randomness.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN918.4;TN752

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本文編號：2225199