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摘 要：本文提出了两种可以改变 PUF 均匀性的方法,通过改变各个路径上的时延使 PUF 的均匀性更接近于 50%。PUF 均匀性的提高,可以极大地增加 PUF 的安全性,从而使得信息存储方面更加难以遭受外部的攻击。因此,构建一个更安全的 信息环境,可以使信息行业发展的更加高效、迅速。
关键词：PUF,均匀性,安全性
Research on PUF Uniformity Enhancement Method
LUO Xin1. LIU Yifei2
(1.Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310030; 2.Shangshi Cambridge International Education School, Shanghai 200000)
【Abstract】： This article proposes two methods that can change the uniformity of PUF, by changing the delay on each path to make the uniformity of PUF closer to 50%. The improvement of PUF uniformity can greatly increase the security of PUF, making information storage more vulnerable to external attacks. Therefore, building a more secure information environment can make the development of the information industry more efficient and rapid.
【Key words】： PUF;uniformity;security
引言：自从计算机的发明到迄今为止的时间里,集成电路 和半导体遵循着摩尔定律,其复杂性 18 个月就会翻一 倍。其技术的演变带来的市场压力持续推动着计算和集 成,并且将其需求上升到了下一个水平,这反过来也推 动了集成电路行业的繁荣发展 [1]。人工智能与大数据的 结合,为构建芯片创造了巨大的机会。这项研究可以增 强商业、工程、医药、银行和交通等生活的各个方面。 增强现实技术将光彩夺目的视觉效果和感官投射融合到 现实环境中,为用户创造了一个全新的环境。虚拟现实 系统使交互式计算机生成的体验成为可能,结合人体的 各个感觉反馈,让使用者仿佛身处一个非常真实的虚拟 世界。自动驾驶技术也正从便利辅助向完全自主驾驶的 方向发展。甚至在医学方面,研究者在心脏起搏器都加 入了智能芯片来提高其性能 [2]。这一切的一切都离不开 芯片的开发和研究。
然而,信息安全问题也逐渐引起人们重视。随着信 息技术的发展,越来越多的用户遭到了信息泄露,导致 了不可估计的财产损失。在自动化和传感方面的研究过 程中,数据的储存和安全遭到了巨大的威胁。直到目前 为止,物联网的通信安全还是建立在硬件与系统是安全的 基础之上的。但攻击者仍然可以通过克隆芯片或解剖的方 法来破坏设备的内部结构。物理不可克隆函数(PUF) 利 用在生产的时候无法避免且随机的工艺偏差, 使生产的部 件带有独一无二的数字签名。PUF 则使用“激励 - 响应” 的方法,生成实时的安全密匙,对物理篡改十分敏感, 从而解决了传统密匙所面对的安全问题 [3]。
PUF 的使用还有很大的优势 ：随着科技发展,设 备与设备之间的互相连接变得尤为重要 [4]。而使用 PUF 可以使得每一台设备都有一个无法复刻的代码,让设备 的连接更加安全。现在, 人们还通过把 PUF 嵌入到集 成电路让 PUF 更为实用 [5]。PUF 的响应和输出就可以直接被芯片使用,得到更加安全的应用。
1 实验设计
本次实验通过在仲裁器 PUF 的路线上安装不同的 缓冲,使得仲裁器 PUF 每一条路线的时延可以尽可能 的接近。这样可以让 PUF 的 0 与 1 输出比例尽可能接 近,使得 PUF 的均匀性大大提升。实验将使用 Xilinx 提供的 Vivado 来模拟 FPGA 的运行过程,这样可以更 方便且低成本地得出实验的结果,提高实验效率。实验 将通过模拟仲裁器 PUF 的路线并统计 PUF 的时延后, 通过对比 0 和 1 出现的频率来得出结论。
打开 Vivado 之后,先按照已经设计好的电路在电 脑上设计出可以运行的电路,并制作成实验的项目来进 行实验。之后将已经设计好的项目在 Vivado 中打开。 进入项目之后, 首先点击“Run Synthesis”从项目中 合成我们所需要的电路。“Schematic”则可以看整一 个电路工作原理的示意图,这样可以更高效地知道电路 的目的与作用。之后点击“Run Implementation”来 查看如何布局与实行这个电路。在“Device”这一选项 可以看到若干蓝色部分,这是为了布局电路而已经使用 的资源。一般电脑使用的布局是不规则的,无法成为两 条对称的路径,所以对比的方法很难得出结论。因此逻 辑门需要被重新布线,使得内部布线布局成两条对称的 路径,以便更好地比较两条路径的时延。
如图 1 所示为已经设计好的电路图,如图 2 所示则 为本次实验得出结论的方法流程。
从图 1 中可以看出, PUF 之中有上下两条路径。每 一条路径都由若干逻辑门组成。电路的输入端将输入一 个信号,信号将通过每条路径。而电路的输出端连接着 仲裁器,仲裁器做出判断以后会做出合适的选择并给出 输出。图 1 中左边蓝色部分的逻辑门拥有上下两个输 入,二选一逻辑门会选择其中一个输入作为此逻辑门的 输出。而右边黄色部分的逻辑门也分为上下两个输入,但与之前不同的是下方的输入会比上方多一个缓冲,输 入的信号会经过缓冲才会被逻辑门输出。逻辑门还有输 入 c 和输入 d, 可以让逻辑门知道哪个数据可以作为输 出的数据。
先设置一个预设值 pt,作为希望达到的均匀性。第 一次先测出电路原来就存在的时延。将 1 所存在的比例 算出来,并在结果上减去 50% 后取绝对值即可与预设值 对比。若小于预设值,则电路的均匀性为合格 ;如果所 算的比例大于预设值,则这条电路还需要调整。
一般 PUF 的均匀性通过不断施加和撤销上下两条 路线的时延来进行调整。在添加时延之前,先在原来的 基础上运行一遍电路,看看均匀性是否处于合格的范 围。当均匀性并不处于合格的均匀性范围时,就需要在 其中一条路径上增加或减少时延。在选定的路径上增加 一个时延,如果均匀性更加接近预设值时,说明增加选 中路径的时延可以使两条路径的时延更加接近。在没有 达到合格的范围时,可以继续增加所选中路线的时延,直到 PUF 的均匀性达到了预设的标准。
然而,如果为选中路线增加了时延后, PUF 的均匀 性并未接近预设值,反而更加远离了所需的均匀性,则 需要撤销之前施加在 PUF 上的时延,然后给 PUF 增加 一个更小的时延让 PUF 达到合适的标准。在增加时延时 可能需要多次尝试,才可以让均匀性达到合适的范围。
若 PUF 的均匀性在多次增加时延后依然无法到达 预设值, 则需要考虑减少选中路线的时延来提高 PUF 的 均匀性。与增加时延的方法一样,先减少一个随机大小 的时延。如果减去的时延提高了 PUF 的均匀性, 则慢 慢调整时延使均匀性处在合格的范围。如果减去的时延 过大,则需要撤销之前减去的时延,再减去一个更小的 时延。直到 PUF 的均匀性达到了预设的范围即可停止。
PUF 的均匀性还可以通过同时给上下两条路径增 加不同的时延来调整。与上一个算法一样,在实验开始 前, 在原来的基础上运行一次电路, 观察 PUF 是否可 以达到要求的均匀性。当均匀性没有达到标准,则需要 在两条线路中先选择路径增加时延。如果 PUF 的均匀 性接近了预设值,说明两条路径的实验差距变小 。这 时候只需要继续慢慢增加时延,就能使 PUF 均匀性达 到标准。
若出现增加 PUF 时延后并未让 PUF 的均匀性提高 反而下降的情况,则不需要撤销原来已经加在 PUF 的 时延。此时需要在另一条未增加时延的路径上增加一个 时延。如果均匀性接近预设值,则需要细微调整时延来 进一步提高 PUF 的均匀性。如果均匀性仍未提高, 则 需要在另一条路径上再次增加一个时延。在多次轮流给 两条路径增加时延后,可以提高 PUF 的均匀性。
2 实验结果与分析
如图 3 所示为 PUF 的部分输出表格。表格上 PUF1 和 PUF2 两列为 PUF 的输出。从图 3 中 PUF 输出的前 后对比可以得出, PUF 中响应对中出现的 0 和 1 概率 趋向于 50%,说明 PUF 的均匀性有了明显的提升。
3 总结与展望
本文研究了如何提高 PUF 的均匀性,使得储存在芯 片中的信息更加安全。PUF 有两条对称的路径,通过增 加或减少路径上的时延来使两条路径的时延大致相等, 从而提高 PUF 的均匀性。在通过使用 Vivado 采集到响 应的数据后分析可以得出,通过增加和减少 PUF 路径 时长的方法,是可以提高 PUF 的均匀性的。然而,本 次实验只是针对提高 PUF 的均匀性而设计的实验方法, 并不能得到有关提高 PUF 可靠性和稳定性的相关依据。 可以通过重新设计新的算法来得出此方面的数据。
PUF 的均匀性提升,也说明了 PUF 会比之前更加 安全。这样可以更好地将 PUF 普及到需要芯片加密的 地方,让信息安全得到保障。只有在信息安全得到了保 障之后,科技才可以更迅速的发展。
参考文献
[1] HSU Y C,CHANGC H.Intelligent Chips and Technologies for AIoT Era[C]// IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, 2020:1-4.
[2] 韩丽娟,钱蕾,姚恩义,等.基于电平转换器的物理不可克隆函 数电路设计[J].网络与信息安全学报,2021.7(2):86-93.
[3] 王振宇,李少青,郭阳,等.基于PUF实现物联网设备的轻量级 密钥共享协议[J].湖南大学学报(自然科学版),2022.49(10):103- 110.
[4] Willem Gerard Ophey,Boris Skoric,Pim Theo Tuyls,et al. Integrated Physical Unclonable Function (Puf) with Combined Sensor and Display:US,US12090414[P].2008-09 -25. [5] 张俊钦,谷大武,侯方勇.改进的仲裁器PUF设计与分析[J].计 算机工程,2010(3):249-250.
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