基于物理不可克隆函数的两级自校准测量方法及自校准减法器技术

本发明专利技术公开了一种基于物理不可克隆函数的两级自校准测量方法及自校准减法器，该方法为包括：对基于延时可配置振荡器中相同的两个振荡器R01、R02施加两个不同的延时控制激励C

【技术实现步骤摘要】
基于物理不可克隆函数的两级自校准测量方法及自校准减法器
本专利技术主要涉及到芯片的识别与认证
，特指一种基于延时可配置振荡器的物理不可克隆函数的两级自校准测量方法及自校准减法器。
技术介绍
为了防止芯片被克隆、IP被窃取、处理的数据被截获，设计者大都需要对每一块芯片赋予一个或多个秘钥作为“安全根”。传统的方法一般都将这些秘钥存储在芯片的非易失存储器中。但随着逆向工程、硬件攻击技术的发展，攻击者可以通过聚焦离子束、扫描电子显微镜等手段破获每一块芯片的秘钥，进而使基于该秘钥的所有安全机制形同虚设。而物理不可克隆函数(PhysicalUnclonableFunction，PUF)利用芯片在生产制造过程中不可避免的存在工艺偏差这一特点，将每一块芯片所独有的工艺偏差提取出来，作为识别、认证其身份的“指纹”，具有不可预测、不可克隆、开销小等优势。因此，PUF一经提出便广受关注。振荡器型物理不可克隆函数(ringoscillatorphysicalunclonablefunction，ROPUF)是基于器件单元延时所固有的偏差而构建的，其传统结构如图1所示。构建N条由1个与非门和(L-1)个(L为奇数)反相器首尾相连而成的环形振荡器。将N个环形振荡器的输出分别与两个N选1数据选择器的数据输入端口的进行连接，将两个N选1数据选择器的数据输出端口分别与两个计数器的时钟端口进行连接，将两个计数器的数据输出端口与比较器的数据输入端口进行连接。虽然N个环形振荡器的结构完全相同，但是在实际生产过程中，由于每个环形振荡器中与非门和反相器的延时不可避免地与期望值存在或多或少的偏差。因此，每个环形振荡器的振荡周期并不完全相同。通过配置两个数据选择器的选择信号(称作激励(challenge))，从N个振荡输出信号中选出两个(两个选择器不能选择同一条振荡器的输出信号)，并将其分别作为两个计数器的时钟信号驱动计数器工作。令使能信号为“1”，所有振荡器开始振荡。一定时间(后称振荡测量时间t)后，计数器中的计数值分别反映了被选中的两个振荡器在此期间内的振荡次数。利用比较器对两个计数值的大小进行比较，得到比较结果(称作响应(response))，若计数值1＞计数值2，则响应为“1”，如果计数值1＜＝计数值2，则响应为“0”。由于工艺偏差对于每一块芯片都是独一无二的，因此，即使对不同的芯片施加相同的激励(也即选择相同位置的两个振荡器进行比较)，得到的响应也是各不相同的；由于工艺偏差的不可避免与不可控制性，因此，攻击者根本无法克隆出一块激励→响应映射关系(称为Challenge-Responsepair，CRP)完全一样的芯片。然而，传统的振荡器型物理不可克隆函数也存在如下缺点：(1)CRP数目太少(也称CRP空间太小)。由N条环形振荡器构成的ROPUF，最多只能产生N(N-1)/2个CRP，难以适应“认证”这种需要多次更换激励的应用场景。(2)面积开销太大。(3)CRP之间存在相关性，容易被攻击破解。比如若已知振荡器a的振荡频率大于振荡器b，振荡器b的频率大于振荡器c，则不需要实际测试，就可以推断得知振荡器a的振荡频率大于振荡器c。因此，若攻击者截获了前两次的响应(也即fa＞fb，fb＞fc)，则可以预测到fa＞fc。(4)可靠性较低。虽然由于工艺偏差导致各振荡器的振荡频率各不相同，但毕竟其偏差的范围有限。若两个振荡器的实际振荡频率非常接近，多次测量下则会由于测量噪声、环境变化等影响而得到不同响应。针对可靠性较低的缺点，传统的解决方法有多数表决机制和最大差异化机制。多数表决机制(majorityvoting)是对某一激励选择的两个振荡器进行K(K为奇数)次测量、比较，并根据少数服从多数的原则确定该激励的最终响应。显然，该方法将使产生响应的时间至少延长K倍。最大差异化机制(又称1-out-of-Kmask机制)，是将N个环形振荡器分成个容量为K的小组，施加激励从个小组中选择1个，并测量该小组中的K个环形振荡器的频率，只取其中频率差异最大的2个振荡器的比较结果作为最终的响应。显然，该方法将使环形振荡器的利用率下降K倍。针对CRP数目太少、面积开销太大的缺点，研究者们提出了基于延时可配置振荡器的物理不可克隆函数结构，如图2所示。在图2中，只有N/2个振荡器的输出信号与数据选择器1的数据输入端相连，剩余N/2个振荡器的输出信号与数据选择器2的数据输入端相连。由于隶属于同一个数据选择器的两个振荡信号永远不可能发生比较，从而消除了CRP之间的相关性。尽管基于延时可配置振荡器的物理不可克隆函数在理论上将原始的CRP空间扩充了2L倍(L是每个延时可配置振荡器的可配置级数)，但事实上，由于硬件结构设计得不足够对称或者在生产制造过程中，每一块芯片上除了存在随机偏差以外还存在系统偏差，将造成芯片某一区域的器件参数相对于另一区域的相同参数发生明显的漂移。反映到基于延时可配置振荡器的物理不可克隆函数结构上，就是无论怎样改变延时控制激励，A区域内振荡器的振荡频率大多明显高于(或低于)B区域内的振荡频率。如图4(a)所示，虽然在440个不同的延时控制激励下，选自A区域的振荡器RO1与选自B区域的振荡器RO2都具有相同的变化趋势。但是，如图4(b)所示，由于系统偏差的存在。除了少数几个激励(如第48、112、144、176个激励)能够使RO1的振荡频率高于RO2以外，其他激励下RO1的振荡频率都低于RO2。因此，只要比较选择激励{CM1，CM2}选择RO1与RO2用于比较，除少数几个延时控制激励可以最终生成响应1以外，大部分激励最终生成的响应都是0。也即最终生成的响应中0占据绝对优势，而不是理想情况下的0与1各占50％。因此，其所扩充的信息空间远远小于2L倍，很容易被攻击破解。传统的解决办法是在振荡环中插入如图5所示的延时补偿单元。若RO1的频率因系统偏差普遍比RO2高，则RO1中奇数个延时补偿单元选择下方插有反相器的路径，而RO2中相同数量的延时补偿单元选择上方直通的路径。这样，将一定程度使RO1与RO2的振荡频率接近。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种原理简单、适用范围广、能够大幅提高稳定性的基于延时可配置振荡器的物理不可克隆函数的两级自校准测量方法及自校准减法器。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于物理不可克隆函数的两级自校准测量方法，其包括：对基于延时可配置振荡器中相同的两个振荡器RO1、RO2施加两个不同的延时控制激励C1、C2；比较两个振荡器从C1激励切换到C2激励时，频率计数值变化程度之间的差异；基于上述得到的差异进行自校准。作为本专利技术自校准方法的进一步改进：步骤包括：步骤S1：采用基于延时可配置振荡器的物理不可克隆函数，对物理不可克隆函数施加延时控制激励C1，在一段振荡测量时间t之后，测得比较选择激励CM＝{CM1，CM2}所选择的两个振荡器RO1与RO2的频率计数值分别为co本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于物理不可克隆函数的两级自校准测量方法，其特征在于，包括：/n对基于延时可配置振荡器中相同的两个振荡器R01、R02施加两个不同的延时控制激励C

【技术特征摘要】
1.一种基于物理不可克隆函数的两级自校准测量方法，其特征在于，包括：
对基于延时可配置振荡器中相同的两个振荡器R01、R02施加两个不同的延时控制激励C1、C2；
比较两个振荡器从C1激励切换到C2激励时，频率计数值变化程度之间的差异；
基于上述得到的差异进行自校准。


2.根据权利要求1所述的基于物理不可克隆函数的两级自校准测量方法，其特征在于，步骤包括：
步骤S1：采用基于延时可配置振荡器的物理不可克隆函数，对物理不可克隆函数施加延时控制激励C1，在一段振荡测量时间t之后，测得比较选择激励CM＝{CM1，CM2}所选择的两个振荡器R01与R02的频率计数值分别为count11，count21；
步骤S2：保持比较选择激励CM＝{CM1，CM2}不变，施加另一种延时控制激励C2，在相同的振荡测量时间t之后，测得两个振荡器R01与R02的频率计数值分别为count12，count22；
步骤S3：计算；
Judge_new(C1，C2)＝Δcount(C1)-Δcount(C2)＝(count11-count21)-(count12-count22)＝(count11-count12)-(count21-count22)
步骤S4：判断；
若Judge_new(C1，C2)＞0，则响应R＝1；
若Judge_new(C1，C2)≤0，则响应R＝0。


3.一种基于物理不可克隆函数的两级自校准减法器，其特征在于，包括：
寄存器，用来作为存储单元；
第一级带符号整数减法器SSF，用来计算当前激励C1下第一比较值Value1与第二比较值Value2之差，也即Dif_C＝Value1-Value2；
第二级带符号整数减法器SSC，用来计算当前激励下计数值之差Dif_C与寄存器暂存的上一个激励C0下比较值之差Dif_P的差异；
若Dir_C-Dir_P＞O，则得到的响应Rnew＝1；若Dir_C-Dir_P＜＝0，则得到的响应Rnew＝0...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭阳，邓丁，屈婉霞，扈啸，胡春媚，侯申，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43