基于FPGA的ROPUF研究.pdf

1、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）是一種廣泛使用的可編程數(shù)字集成電路，基于FPGA平臺(tái)可以設(shè)計(jì)各種的應(yīng)用。知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（Intellectual protection，IP）是應(yīng)用于FPGA平臺(tái)上的二進(jìn)制文件。隨著IP的大量應(yīng)用，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的侵權(quán)越來(lái)越多：克隆、過(guò)量生產(chǎn)、重演攻擊、逆向工程、旁路攻擊及硬件木馬等。因此如何有效的對(duì)IP核進(jìn)行保護(hù)越來(lái)越受關(guān)注。物理不可克隆函數(shù)（Physi

2、cal unclonable function，PUF）是一種IP核保護(hù)技術(shù)，它獨(dú)有的唯一性和不可克隆性能夠有效的對(duì)IP核進(jìn)行保護(hù)。本文中，我們主要研究環(huán)形振蕩器（Ring oscillator，RO）PUF的可靠性以及可重構(gòu)性。主要工作如下：
　　（1）針對(duì)RO PUF在環(huán)境影響下的不可靠性，本文提出了一種頻率偏移的方法（Frequency offset algorithm，F(xiàn)OA），能夠有效的提高RO PUF在溫度和電壓下的可

3、靠性。本文提出的頻率偏移方法在基本的RO PUF結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在各個(gè)計(jì)數(shù)器的后面增加一個(gè)頻率補(bǔ)償單元，使得進(jìn)行比較的兩個(gè)RO的頻率差大于一定的閾值，從而克服了環(huán)境因素的干擾，保證了RO PUF的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度環(huán)境影響下，本文提出的FOA方法比溫度敏感協(xié)作方法（Temperature-aware cooperative，TAC）具有更好的可靠性；在電壓環(huán)境影響下，本文的FOA方法在可靠性閾值因子較大時(shí)有更好的可靠性；在硬

4、件效率方面，本文的FOA方法較TAC方法有很明顯的優(yōu)勢(shì)；此外，本文的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)RO100％的利用率，由此可以得到更長(zhǎng)的響應(yīng)序列以及增加激勵(lì)-響應(yīng)對(duì)（Challenge-response pairs，CRPs）數(shù)據(jù)集。
　?。?）FPGA系統(tǒng)易受重演攻擊，可重構(gòu)綁定技術(shù)可以達(dá)到克服重構(gòu)攻擊的目的。本文針對(duì)其中的可重構(gòu)性進(jìn)行了研究，提出了一種跨RO的可重構(gòu)RO PUF，在反相器層次對(duì)RO PUF進(jìn)行了重構(gòu)。通過(guò)在組成RO的基本組件

5、反相器和與門以及反相器與反相器之間增加多路選擇器的方式，實(shí)現(xiàn)了跨越RO對(duì)反相器進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)RO PUF的重構(gòu)功能。與基于環(huán)形振蕩器的可重構(gòu)PUF進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果表明本文提出的跨RO的可重構(gòu)RO PUF能夠獲得大量的可重構(gòu)數(shù)以及很高的硬件效率。在相同的RO使用數(shù)量和相同的RO階數(shù)情況下，本文提出的跨RO的可重構(gòu)RO PUF較基于環(huán)形振蕩器的PUF在重構(gòu)數(shù)和硬件效率方法都有很明顯的優(yōu)勢(shì)。在RO使用數(shù)量為8，RO的階數(shù)為9時(shí)，本文的