文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174194
中文引用格式： 李雪營，李磊，胡劍浩，等. 基于RO電路變化PUF的FPGA實現(xiàn)[J].電子技術應用，2018，44(5)：39-42.
英文引用格式： Li Xueying，Li Lei，Hu Jianhao，et al. Implementation of PUF based on RO circuit[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(5)：39-42.
0 引言
加密是信息安全的一個分支，其中包括數(shù)據(jù)安全性、數(shù)據(jù)完整性和安全認證機制。加密技術的使用使得通信安全有了保障。發(fā)送方終端通過密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，在接收終端以相同的密鑰或派生密鑰解密信息。加密體制依據(jù)解密與加密所用秘鑰是否相同，將其劃分為對稱和非對稱密碼兩種體制。在對稱密碼體制中，加密密鑰和解密密鑰是一樣的。而非對稱密碼體制中，加密密鑰和解密密鑰是分開的，不相同。加密的密鑰不應該受到環(huán)境的影響，應該是隨機的、可靠的以及抗側信道攻擊的。 一種基于PUF的密鑰產(chǎn)生機制如圖1所示。
經(jīng)典線性反饋移位寄存器用于隨機數(shù)生成。偽噪聲隨機數(shù)字發(fā)生器（PN-RNG）是利用初始種子產(chǎn)生隨機數(shù)序列的。由于有一組共同的初始種子，偽噪聲隨機數(shù)發(fā)生器（PN-RNG)產(chǎn)生的隨機序列并不隨機，如果有人存儲這些序列，根據(jù)序列之間的相關性，即PN-RNG在產(chǎn)生最大值之后開始產(chǎn)生相同的序列，對手可以預測到下一個序列[1]。加密密鑰是數(shù)據(jù)安全的關鍵，秘鑰一定是可信可靠的隨機數(shù)。真正可靠的密碼體系應該是：即便破譯者可以加密任何的明文，也沒法破譯密文。一般地，如果僅根據(jù)密文就可以推算出明文或密鑰，則稱這個密碼體制是可破譯的?；鶢柣舴蛟瓌t指出“一個密碼體制是安全的，其總的前提就是假設密碼分析者已經(jīng)知道了密碼體制的算法，體制的安全性僅依賴于密鑰的保密”?，F(xiàn)在的人喜歡依賴手機進行電子交易，所以信息安全得到了更多的關注。硅密鑰因為具有不可克隆的特點而被優(yōu)選，不可克隆是指：即使用相同的材料也不能制造出2個性能相同的設備。2001年Srini Devadas(麻省理工學院CSAIL)提出了用物理不可克隆函數(shù)(PUF)來生成密鑰的IC。PUF是一種基于器件和工藝偏差的體系。從PUF系統(tǒng)可以產(chǎn)生不可預測的隨機數(shù)，不過PUF產(chǎn)生的隨機數(shù)必須經(jīng)過編碼才能獲取想要的密鑰。PUF電路利用器件的特定屬性生成隨機數(shù)，這些屬性是無法克隆的，并且很難預測。根據(jù)半導體的任何可變屬性都可以用來構建PUF。延遲、頻率和SRAM上電初值的PUF，已在早期研究工作中有所研究，這些PUF[3]都反應了制造設備的隨機性變化。PUF電路必須能夠產(chǎn)生大量的激勵響應對。對于每個激勵響應都應該獨特而不可預測。對于不同的PUF，同樣的激勵生成的PUF響應應該都是不同的。PUF的性能可以用唯一性、可靠性和穩(wěn)定性衡量。唯一性一般用內部漢明距離表示，理想值μ=0%。它代表了對于不同的PUF給予相同的激勵條件，得到響應之間的差異性。文獻[3]中展示了唯一性，用這種特性來識別電路?？煽啃砸话阌闷g漢明距離表示，理想情況下μ=0%。它代表對于同一個PUF，給予兩個相同的激勵，得到響應之間的差異性。穩(wěn)定性表示響應受溫度、老化效應、電源電壓、噪聲等環(huán)境的影響。理想的響應應該是獨立于這些因素的[4]。
1 典型RO-PUF
RO PUF是PUF中常見的應用之一，其基本結構單元是環(huán)形振蕩器(Ring-Oscillator，RO)。RO的構成如圖2所示。
環(huán)形震蕩PUF是一個將激勵映射到響應的頻率變化函數(shù)。RO PUF是由于工藝偏差而產(chǎn)生的變化頻率來生成隨機數(shù)的。圖3給出了N個環(huán)振蕩器產(chǎn)生的不同頻率f1，f2，…fn，這里2個并行的多路復用器的選擇取決于輸入激勵。兩個多路復用器選定兩個不同的頻率 ，它們分別作為n位計數(shù)器的時鐘輸入。然后，兩個計數(shù)器對選定的兩個頻率開始計數(shù)。如果Q1>Q2響應為1，否則輸出響應為0。
2 本文提出的方案
本設計是利用不同數(shù)量的環(huán)形振蕩器而不是基于工藝偏差用相同數(shù)量的環(huán)形振蕩器來獲得變化的頻率。圖4所示的電路圖有3個工作模塊：(1)產(chǎn)生不同頻率的環(huán)形振蕩器，分別用不同階數(shù)的RO震蕩環(huán)產(chǎn)生5個不同的震蕩頻率；(2)映射階段，它是一個D觸發(fā)器的級聯(lián)，將環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的任意兩個頻率作為D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入和時鐘輸入，輸出是一個采樣頻率。本設計中將F1、F2、F3、F4作為D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入，其對應的時鐘輸入分別為F2、F3、F4、F5；(3)選擇電路，基于多路復用器的選擇電路，根據(jù)激勵輸入選擇4個時鐘脈沖，并作為計數(shù)器的時鐘脈沖。在計數(shù)某個確定時間后，計數(shù)器值鎖存到PISO移位寄存器，在移位寄存器的每個時鐘有效邊沿產(chǎn)生1位響應，重復16次，獲得16位響應。圖4電路代表激勵響應對產(chǎn)生的方案，4位激勵被映射到16位響應，這個PUF是變化頻率和頻率映射階段的隨機函數(shù)。提出的電路結構在Virtex5上得到驗證。
2.1 環(huán)形振蕩器
電路由5個具有奇數(shù)個反相器的環(huán)形振蕩器組成，目的是獲得不同的變化頻率。每個RO由圖5所示的nand門的輸入Enable控制，使能Enable信號為高開始振蕩。環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個反相器構成，其頻率取決于反相器的階數(shù)，對于N階環(huán)形振蕩器，振蕩頻率為：Fosc=1/τpd=1/(2Nτp)，其中τpd=τphl+τplh，N為反向器的階數(shù)[5]。從表達式發(fā)現(xiàn)，隨著反相器階數(shù)的增加，頻率下降，頻率也彼此接近。表1顯示震蕩頻率隨著反相器數(shù)量的增加而發(fā)生變化。
2.2 映射階段
它是由4級D觸發(fā)器級聯(lián)，D觸發(fā)器將兩個頻率中一個作為數(shù)據(jù)輸入，另一個作為時鐘輸入，獲得一個采樣輸出，圖6所示的第一行4級D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端接F1，時鐘輸入接F2，采樣輸出記為CLK1。在本設計中使用時鐘上升沿觸發(fā)有效; 如果D觸發(fā)器時鐘上升沿比數(shù)據(jù)上升沿提前，輸出保持上次結果不變，如果時鐘上升沿比數(shù)據(jù)上升沿落后，則輸出與觸發(fā)器數(shù)據(jù)端輸入端一樣。同理，第二行、第三行、第四行4級級聯(lián)的D觸發(fā)器產(chǎn)生CLK2、CLK3、CLK4，產(chǎn)生的4個時鐘脈沖信號將用于下一級的頻率比較階段。由于振蕩器頻率不同，它們的邊緣到達時間是不可預測的，這就增加了更多的隨機性到PUF電路。在數(shù)據(jù)和時鐘邊緣同時到達的情況下將導致亞穩(wěn)態(tài)，在下一個邊沿時鐘脈沖產(chǎn)生完全不可預測的電路輸出（高或低）。并且本文采用的是慢時鐘采快時鐘，根據(jù)麥奎斯特采樣定理，肯定會有信號遺漏，但是我們并不是想要最后得到完整的數(shù)據(jù)信號，僅僅是利用丟失信號的不確定性來增加PUF電路的隨機性。
2.3 選擇電路
圖7所示電路是多路復用器構成的選擇電路。時鐘上升沿到來計數(shù)器向上計數(shù)。在計數(shù)某個確定時間后，計數(shù)器值鎖存到PISO移位寄存器，在移位寄存器的每個時鐘有效邊沿產(chǎn)生1位響應，重復16次，獲得16位響應。圖8給出了16個激勵的內部漢明距離，這幾乎是理想的值。本文提出的PUF結構與現(xiàn)有的RO PUF相比，需要更少的硬件資源。圖3顯示了2個計數(shù)器產(chǎn)生1位響應的RO結構。要有16位響應，它需要32個計數(shù)器和16個比較器并行工作。并且提出的PUF結構相對于RO PUF在計數(shù)階段消除了硬件復雜性，并從單個計數(shù)器和PISO移位寄存器直接產(chǎn)生16位響應。
本文提出了一種新穎的基于硬件的產(chǎn)生激勵響應對的RO PUF結構，其結合電路變化而不是工藝偏差。運用頻率映射與PUF結合的策略產(chǎn)生隨機性響應，響應的內部漢明距離幾乎達到理想值。PUF的早期設計中2個計數(shù)器產(chǎn)生1位響應，當前設計中用相同位數(shù)的計數(shù)器產(chǎn)生16位響應。在接下來的研究中計數(shù)器和PISO移位寄存器的大小可以增強到255位，為AES加密算法生成128位密鑰。
3 實驗與分析
本文將上述方案在FPGA平臺上進行實驗測試，實驗開發(fā)板：Xilinx Virtex5，開發(fā)軟件：集成開發(fā)環(huán)境ISE，仿真工具Modelsim，測試和分析工具ChipScope；開發(fā)語言：Verilog HDL。經(jīng)過XST綜合后的FPGA配置文件下載到開發(fā)板上，時鐘周期是50 ns，定時器定時時間為0.512 μs。用ChipScope 軟件抓取輸入激勵與其對應輸出響應的波形圖。通過ChipScope 導出的波形圖，解析出激勵-響應對。在測試過程中，對電路進行了50 次測試，每次測試能夠得到16個激勵-響應對，對同一個激勵產(chǎn)生的50個響應計算內部漢明距離，結果表明，該電路對于同一激勵的響應內部漢明距離最大為0.277 8，最小可以達到0.080 0，大部分分布在0.200 0左右，文獻[14]中測得的內部漢明距離9次達到0.310 0，6次達到0.190 0，1次達到0.250 0，所以比較文獻[14]，本文設計的PUF較優(yōu)，該設計滿足PUF函數(shù)的相關要求。
4 結論
本文的設計是通過把物理信息集成到電路設計從而實現(xiàn)PUF的設計，與現(xiàn)有RO PUF相比，PISO位寄存器的運用減少了更多的硬件資源。由4位激勵能夠產(chǎn)生16位隨機響應，大大增加了激勵響應對的數(shù)目，也即增加了ID的數(shù)量，安全性得到提高。并且經(jīng)由FPGA驗證本文改良后的RO PUF具有更高的“片內穩(wěn)定性”。環(huán)境溫度、供電電壓是影響片內穩(wěn)定性的重要因素，確保ID不隨溫度、電壓發(fā)生變化，并且精確可重復生成是未來研究的方向。
參考文獻
[1] MAJZOOBI M，ROSTAMI M，KOUSHANFAR F，et al.Slender PUF protocol：A lightweight，robust，and secure authen-tication by substring matching，in Proc.IEEE Symp. Security Privacy Workshops(SPW)，2004：33–44.
[2] HERREWEGE A V.Lightweight PUF-based key and random number generation[M]，KULEUVEN，Belgium 2015.
[3] OZTURK E，HAMMOURI G，SUNAR B.Physically unclonable function with tristate buffers[C].IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2008：3194-3197.
[4] KONG J，KOUSHANFAR F.Processor based strong physically unclonable function with aging-based response tuning[J].IEEE Transaction on Emerging Topics in Computing，2014，2(1)：16-29.
[5] TIWARI K，KUMAR A.11 GHz CMOS ring oscillator[C].International Conference on Computing, Communication and Automation.2015：1280-1283.
[6] MAITI A，SCHAUMONT P.Improved ring oscillator PUF：an FPGA-friendly secure primitive[J].Journal of Cryptology，2011，24(2)：375-397.
[7] YU M，DEVADAS S.Secure and robust error correction for Physical unclonable functions[J].IEEE Design & Test of Computers，2010，27(1)：48-64.
[8] MERLI D，SCHUSTER D，STUMPF F，et al.Side-channel analysis of PUFs and fizzy extractors[G].LNS 6740：Trust and Trustworthy Computing，2011：33-47.
[9] YIN C，QU G.Improving PUF security with regression-based distiller[C]//50th ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference，2013：1-6.
[10] Abhranil Maiti，Inyoung Kim，Patrick Schaumont.A robust physical unclonable function with enhanced challenge-response set，IEEE Transaction on Information Forensic and Security，2012，7(1)：333-345.
[11] G.Edward Suh，Srinivas Devadas.Physical unclonable functionsfor device authentication and secret key generation[C].44th ACM/IEEE Design Automation Conference，2007：9-14.
[12] Abhranil Maiti，Patrick Schaumont.Improved ring oscillator PUF：an FPGA-friendly secure primitive.Journal of cryptography，2011，24(2)：375-397.
[13] DODIS Y，REYZIN L，SMITH A.Fuzzy extractors：How to generate strong keys from biometrics and other noisy data，in Advances in Cryptology Volume 3027，Lecture Notes in Computer Science.2004：523-540.
[14] Abhishek Kumar，Ravi Shankar Mishra，KASHWAN K R.Challenge-response generation using RO-PUF with reducedhardware[C].International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics(ICACCI).2016： 1305-1308.
作者信息:
李雪營1，李 磊1，胡劍浩2，楊圣華1
（1.電科院空間集成電路實驗室，四川 成都611731；2.通信抗干擾國家重點實驗室，四川 成都611731）