基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法技术

本发明专利技术提供一种基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，是用查找表(LUT)实现环形振荡器(RO)的逻辑门，通过配置构成环形振荡器(RO)的LUT的端口来实现PUF可靠性的快速提升，极大地提高了其在安全应用方面的可靠性，使其可以广泛应用于安全相关领域。本发明专利技术与传统的ECC检测方法或温度电压测试方法相比，不需要额外的硬件资源，也无需其他设备，即可在FPGA上实现，且不会有泄露相关重要信息的危险，使得在硬件资源受限的认证系统上面实现高可靠的物理不可克隆函数变为现实。本发明专利技术相比于传统的方法，操作简单，具有更高的提升空间，通过配置LUT的端口，可以提升更高的可靠性，适应更为苛刻的环境。

【技术实现步骤摘要】
基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法
本专利技术涉及硬件安全及集成电路
，尤其涉及一种基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法。
技术介绍
可编程器件在软件和硬件领域都广为应用，随着社会信息化发展，器件安全性问题越来越受到人们的重视，对这些器件实施有效的认证是确保系统安全的关键。由于这类实体普遍存在计算能力差，资源有限等问题，传统的基于密码学的认证方法在应用时存在很大的障碍。为有效解决该问题，研究者们提出了物理不可克隆函数(PhysicalUnclonableFunction,PUF)，它作为一种新型的加密原语，主要利用集成电路在制造过程不可避免的工艺波动而产生的某些物理特性为不同的集成电路提供唯一的标识，通常可用于硬件安全和知识产权保护等应用，能更加有效地应对安全问题。PUF密钥中的良好随机性来自高度对称的布局布线，即电路实现中没有系统的偏差，工艺波动才能主导PUF输出。一旦用对称的布局实现了PUF，则工艺波动引起的误差决定了PUF输出。然而，当由环境变化引起的波动大于或接近失配时，输出可能会随时改变，即可靠性差。提高PUF可靠性的传统方法是使用纠错码(ECC)，但是该方法将显著增加设计的复杂度和总的设计成本开销，更严重的是，纠正码会泄露一些重要的信息，引起安全性问题。另一种广泛使用的方法是预配置，例如，调整环形振荡器(RO)配置以选择具有相同布局RO之间频率差最大的两个，以上方法都在一定程度上增加了设计的复杂性和成本。其它的方法如识别不可靠位的方法，其在不同环境条件下进行多重响应测试，仅选择响应稳定的位，因此呈现出高可靠性，这种方法主要的问题包括：需调整操作条件以及在响应测试期间没有考虑老化效应，并且测试耗费了大量的时间，降低了效率。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本专利技术提供一种基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，能够快速提升响应位的稳定性，从而提高PUF的可靠性，以保证物理不可克隆函数能在安全领域上广泛应用。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，包括如下步骤：初始化步骤：设置物理不可克隆函数的位数，利用预设的约束文件定义物理不可克隆函数生成单元在FPGA上的位置，在FPGA上实现若干个物理不可克隆函数生成单元；每个物理不可克隆函数生成单元对应生成物理不可克隆函数的一位；所述物理不可克隆函数生成单元包括两个环形振荡器和两个计数器，每个环形振荡器的输出端对应连接一个计数器；每个环形振荡器包括若干个逻辑门，每个逻辑门由一个查找表实现。配置步骤：物理不可克隆函数生成单元的输入激励C包括C1和C2两部分；将两个环形振荡器组成一个物理不可克隆函数生成单元的激励作为所述输入激励的C1部分；利用所述显示查找表的端口对两个环形振荡器进行配置，保留相同震荡时间内两个计数器差值最大的一组配置作为最优配置，将所述最优配置作为所述输入激励的C2部分；将所述输入激励存储在非易失性存储器上；该配置对应的一位响应作为所述物理不可克隆函数生成单元的一位输出；所述响应具体是指两环形震荡器震荡次数，也就是两计数器的差值的极性。产生步骤：将存储在非易失性存储器上的输入激励分别添加给所有物理不可克隆函数生成单元中的环形振荡器，得到该环形振荡器的物理不可克隆函数输出。作为优化方案，所述环形震荡器由依次连接一个与非门和三个传输门组成；所述与非门的一个输入端口用于接收所述环形震荡器的输入信号，所述与非门的另一个输入端口与最后一个传输门的输出端口连接。所述与非门由一个六输入显示查找表等效实现，该显示查找表的A4端口和A5端口作为与非门的输入端口，A6端口作为与非门的配置端口。所述传输门由一个六输入显示查找表等效实现，该显示查找表的A5端口作为传输门的输入端口，A6端口作为传输门的配置端口。作为优化方案，在所述初始化步骤中，所述物理不可克隆函数的位数设置为128位，在FPGA上实现128个物理不可克隆函数生成单元。在所述配置步骤中，对于每一个物理不可克隆函数生成单元中的两个环形振荡器，同时配置四个六输入显示查找表的配置端口，共有从0000到1111的16种配置，得到16组计数器差值；将计数器差值最大时所对应的配置作为最优配置。作为优化方案，基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法还包括温度电压测试步骤：对于生成的物理不可克隆函数，利用温度电压测试检测配置后所述环形震荡器物理不可克隆函数的可靠性。本专利技术相对于现有技术的有益效果在于：1、本专利技术提出的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，是用显示查找表(LUT)实现环形振荡器(RO)的逻辑门，通过配置构成环形振荡器(RO)的LUT端口来实现PUF可靠性的快速提升，极大地提高了其在安全应用方面的可靠性，使其可以广泛应用于安全相关领域。2、本专利技术提出的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，与传统的ECC检测方法或温度电压测试方法相比，不需要额外的硬件资源，也无需其他设备，即可在FPGA上实现，且不会有泄露相关重要信息的危险，使得在硬件资源受限的认证系统上面实现高可靠的物理不可克隆函数变为现实。3、本专利技术提出的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，相比于传统的方法，操作简单，具有更高的提升空间，通过配置LUT的端口，可以提升更高的可靠性，适应更为苛刻的环境。附图说明图1为本专利技术物理不可克隆函数的可靠性提升方法的总流程图。图2为查找表的内部结构示意图。图3为物理不可克隆函数生成单元的结构示意图。图4为本专利技术环形振荡器物理不可克隆函数单元中两RO频率差较小时的跳变概率。图5为本专利技术环形振荡器物理不可克隆函数单元中两RO频率差较大时的跳变概率。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1：如图1所示，一种基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，包括如下步骤：步骤S1，初始化步骤：设置物理不可克隆函数的位数，利用预设的约束文件定义物理不可克隆函数生成单元在FPGA上的位置，在FPGA上实现若干个物理不可克隆函数生成单元；每个物理不可克隆函数生成单元对应生成物理不可克隆函数的一位；所述物理不可克隆函数生成单元包括两个环形振荡器和两个计数器，每个环形振荡器的输出端对应连接一个计数器；每个环形振荡器包括若干个逻辑门，每个逻辑门由一个显示查找表实现。步骤S2，配置步骤：物理不可克隆函数生成单元的输入激励C包括C1和C2两部分；将两个环形振荡器组成一个物理不可克隆函数生成单元的激励作为所述输入激励的C1部分；利用所述显示查找表的端口对两个环形振荡器进行配置，保留相同震荡时间内两个计数器差值最大的一组配置作为最优配置，将所述最优配置作为所述输入激励的C2部分；将所述输入激励存储在非易失性存储器上；该配置对应的一位响应作为所述物理不可克隆函数生成单元的一位输出；所述响应具体是指两环形震荡器震荡次数，也就是两计数器的差值的极性。传统的环形震荡器(ro)物理不可克隆函数原本的激励是这样的，比如有128个ro(即64个物理不可克隆函数生成单元)，那么激励就是[5:0],本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，其特征在于，包括如下步骤：初始化步骤：设置物理不可克隆函数的位数，利用预设的约束文件定义物理不可克隆函数生成单元在FPGA上的位置，在FPGA上实现若干个物理不可克隆函数生成单元；每个物理不可克隆函数生成单元对应生成物理不可克隆函数的一位；所述物理不可克隆函数生成单元包括两个环形振荡器和两个计数器，每个环形振荡器的输出端对应连接一个计数器；每个环形振荡器包括若干个逻辑门，每个逻辑门由一个查找表实现；配置步骤：物理不可克隆函数生成单元的输入激励C包括C1和C2两部分；将两个环形振荡器组成一个物理不可克隆函数生成单元的激励作为所述输入激励的C1部分；利用所述显示查找表的端口对两个环形振荡器进行配置，保留相同震荡时间内两个计数器差值最大的一组配置作为最优配置，将所述最优配置作为所述输入激励的C2部分；将所述输入激励存储在非易失性存储器上；该配置对应的一位响应作为所述物理不可克隆函数生成单元的一位输出；所述响应具体是指两环形震荡器震荡次数，也就是两计数器的差值的极性；产生步骤：将存储在非易失性存储器上的输入激励分别添加给所有物理不可克隆函数生成单元中的环形振荡器，得到该环形振荡器的物理不可克隆函数输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于环形振荡器的物理不可克隆函数的可靠性提升方法，其特征在于，包括如下步骤：初始化步骤：设置物理不可克隆函数的位数，利用预设的约束文件定义物理不可克隆函数生成单元在FPGA上的位置，在FPGA上实现若干个物理不可克隆函数生成单元；每个物理不可克隆函数生成单元对应生成物理不可克隆函数的一位；所述物理不可克隆函数生成单元包括两个环形振荡器和两个计数器，每个环形振荡器的输出端对应连接一个计数器；每个环形振荡器包括若干个逻辑门，每个逻辑门由一个查找表实现；配置步骤：物理不可克隆函数生成单元的输入激励C包括C1和C2两部分；将两个环形振荡器组成一个物理不可克隆函数生成单元的激励作为所述输入激励的C1部分；利用所述显示查找表的端口对两个环形振荡器进行配置，保留相同震荡时间内两个计数器差值最大的一组配置作为最优配置，将所述最优配置作为所述输入激励的C2部分；将所述输入激励存储在非易失性存储器上；该配置对应的一位响应作为所述物理不可克隆函数生成单元的一位输出；所述响应具体是指两环形震荡器震荡次数，也就是两计数器的差值的极性；产生步骤：将存储在非易失性存储器上的输入激励分别添加给所有物理不可克隆函数生成单元中的环形振荡器，得到该环形振荡器的物理不可克隆函数输出。2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁华国，周凯，马高亮，黄正峰，鲁迎春，徐秀敏，易茂祥，倪天明，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34