[发明专利]一种基于异或门的可重构环形振荡器PUF电路

说明书

本发明公开了一种基于异或门的可重构环形振荡器PUF电路，包括PUF延迟模块和末端控制模块，其中PUF延迟模块包括n个串联延迟单元，末端控制模块包括类延迟单元和反馈控制单元；所述每个延迟单元作为FPGA的一个CLB及均包含由异或门和选择单元组成且结构不同的两个Slice，其中异或门根据输入的激励信号进行连线或形成反相器，选择单元根据激励信号决定正跳变信号所输入的异或门并形成通路，及得到单个RO振荡环的输出信号；所述类延迟单元将其作为输入及输出整个RO振荡环的输出信号，反馈控制单元将其和反馈控制信号作为两个输入，处理获得和输出整个RO振荡环的输出信号。本发明具有简单易实现，可靠性、稳定性、随机性高，消耗资源少，激励响应对多等特点。

技术领域

本发明涉及一种基于异或门的可重构环形振荡器PUF电路，属于信息安全的技术领域。

背景技术

最近几年来，在国家的大力推动下，物联网技术、云技术、大数据技术发展迅速，数字化世界离我们越来越近。可以想象，在未来的数字化世界里，万物联通，大量的数据产生、传输、处理、应用。而整个庞大体系的基础就是数据的产生。成千上万的传感器在整个体系中扮演着“眼睛”的角色，它负责采集数据并对其进行加密后上传。由于其暴露在现实环境中，故可能遭遇各种挑战：周围环境恶劣，温度变化大，雨水等；各种物理攻击，尤其是针对存储在非易失性存储器中的密钥进行攻击；可利用资源有限，导致一些加密算法无法实现等。如何保证产生的数据安全、可靠、正确，是一个亟待解决的问题。

为了解决以上问题，近年来提出了物理不可克隆函数PUF。其工作原理与一次函数类似，当给PUF一个激励时，它就会产生一个唯一对应的响应，称之为激励-响应对。就像人类的指纹、瞳孔一样，PUF的激励-响应对就是每个芯片的唯一身份信息，它只受芯片的制造工艺影响，人为不可控制。故PUF具有唯一性、可靠性、不可预测、不可克隆等特点，这些特点足矣解决上文所述所有问题。根据这些特点，PUF可以被应用到系统认证、密钥生成等多个的领域，在硬件安全领域也具有极大的研究价值和广阔的应用前景。

PUF有“强PUF”(Strong PUF)和“弱PUF”(WeakPUF)之分。强PUF的激励-响应对数量庞大，致使攻击者在长时间内也无法读取所有激励-响应对。也是基于此点，强PUF不可预测，即使攻击者获得了大量激励-响应对，也无法建立一个有效的PUF模型。因此强PUF主要用于安全认证方面；相较于强PUF，弱PUF的响应输出数量与电路规模呈正比，容易实现但是安全性较低，主要用于密钥、ID等关键信息存储方面。

图1是一个完整的也是最早提出的RO PUF电路，如图所示，整个RO PUF电路包含N个RO振荡环，每个RO振荡环包含奇数个反相器，反相器个数由外部输入的激励位决定。当正跳变信号输入到每个RO振荡环的与门输入端时，RO振荡环开始振荡。为使计数器能够准确捕获到一对由MUX随机选择的ROs的频率差，往往会预先设置好时间。当时间到时，计数器停止计数，并比较两个计数器的值。若上方计数器的值大，则输出响应为1；若下方计数器的值大，则输出响应为0。然而此结构消耗资源过多，N个ROs只能得到N(N-1)/2bit的输出响应，不适合应用在资源紧凑的物联网传感器上。

为了得到位数更多、稳定性更好的输出响应，近年来涌现出许多实用性方法。如选择频率差最大的ROs进行比较，从而得到稳定的输出响应；多数投票选择机制，通过多次比较，选择出现概率最大的值作为输出响应；提出可重构RO PUF，通过配置单个RO来获得多种RO结构，进而提高RO PUF的输出响应位数，使其可以产生海量的激励-响应对。然而上述方法均存在容易消耗资源、随机性低、不易实现的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于异或门的可重构环形振荡器PUF电路，解决如何在资源消耗相同的情况下获得更多、更稳定的激励-响应位的问题。通过将整个环形振荡器RO的输出反馈给输入，使环形振荡器能够稳定地振荡。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：