CN103888266A

CN103888266A - 一种基于rrc的puf可靠性保障系统及方法

Info

Publication number: CN103888266A
Application number: CN201410151433.7A
Authority: CN
Inventors: 李冰; 陈帅; 刘勇; 赵霞; 董乾; 王刚
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: CN103888266B

Abstract

本发明公开了一种基于RRC的PUF可靠性保障系统及方法，该系统包括：控制模块，用于流程控制，数据库的读写，安全数据的配置和认证结果的判断；激励生成模块，用于数据库建立时生成激励组；RRC模块，用于将PUF电路的强特征序列转换为RRC码；强特征检测模块，用于检测RRC模块生成的RRC码的闭合性，计算吻合度，与安全数据进行对比；数据库接口模块，用于数据库的检索和更新；安全性配置接口，用于与用户界面进行安全数据交互。本发明提供了一种基于RRC的PUF可靠性保障系统及实现方法，该系统和方法可应用于PUF电路身份认证，通过RRC码独特的双环型结构对PUF电路的强特征进行动态检测和维护，提高了PUF身份认证对于电路老化等问题的可靠性。

Description

一种基于RRC的PUF可靠性保障系统及方法

技术领域

本发明涉及身份认证技术的可靠性提升，尤其是涉及一种应用于PUF电路的可靠性保障系统及实现方法。

背景技术

传统保护信息的方法是通过密码芯片对数据进行加密，进而有效地实现用户身份验证、密钥存储等。而新型攻击技术的发展，如差分功耗分析等，对密码芯片的安全构成了极大威胁。虽然已提出多种防御方法，但效果并不理想。如何在保证低成本、低功耗的同时对这些物理实体实施有效认证成为了确保系统安全的关键因素。

借鉴基于人体唯一特征指纹或虹膜对个人实施认证的思想，在2001和2002年，分别提出物理单向函数POWF(Physical One-Way Function)^[2]和物理不可克隆函数PUF(Physical Unclonable Function，物理不可克隆函数)^[3]后，PUF在很多领域得到研究和应用。

PUF主要优势是可以抵抗物理克隆攻击的发生，对物理实体输入一个激励，利用其不可避免的内在物理构造的随机差异输出一个不可预测的响应，相对于资源有限的物理实体来说，这种不能被克隆的激励响应不仅可以实现与传统公钥密码一样的功能，而且大大减少了计算、存储和通信开销。

然而，PUF的推广却进展缓慢。调查发现，其可靠性存在缺陷是最主要的桎梏之一。现在业内对于PUF电路的研究大多都在PUF的实现方式多样化上面，而对于PUF电路的可靠性研究和可靠性保障方法的研究却少之又少。因为PUF电路完全依靠芯片的物理特性差异进行身份识别，因此极易受到噪声，温度，电压，磁场，老化等因素的影响。对于前几个因素，实验表明，最高能够对运算结果造成9.84%的影响，目前主要通过模糊提取算法来规避。但是对于老化问题则更少有人提及。如图1所示，在25天的连续性测试中，老化对PUF电路的影响最高达到了0.7%。随着时间的推移，老化问题将会对PUF电路的可靠性构成巨大威胁。

因此，如何提高PUF电路的可靠性，尤其是对于老化问题的规避，是现有PUF电路亟待解决的问题，尤其是针对性的建立一个所有的PUF电路都通用的可靠性保障模型。

申请人获得的国家发明专利（ZL200610041210.0、ZL200610041209.8）中，发明的李氏无竞争计数码（RRC）是一种基本的可靠性编码，具有类似格雷码的特性，也是一种反射性的循环码，适用于格雷码的应用领域，与格雷码不同的是RRC具有独特的特征码的生成方式。通过一些独特的特征码，经过简单的电路，便可以生成RRC码。反过来讲，通过观察RRC码的变化情况，也可以快速而准确的对特征码的每一位进行检测。如图1所示，通过对特征值进行环形移位和取值构成的RRC码实际上也构成了一个闭合的环。如图3所示，其独特的双环形结构和每次只变化一位的特点使得其很容易快速的检查和维护。只需要检查强特征值所形成的RRC码序列是否闭环就可以判断出其强特征的正确性。若没有形成闭环，则通过检查不符合变化规则的RRC码便可以快速而准确的找出出错的强特征节点。因此，结合之前的研究发现，RRC码的特征码符合之前所要寻找的PUF强特征码的特点。两者的结合，取得了很好的效果。现在只需要找出PUF电路的强特征码，对PUF电路的这部分强特征码通过RRC电路进行检查和数据库的维护，便能够实现我们之前的设想。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种PUF电路可靠性保障系统及实现方法，能够有效的提高现有PUF认证芯片的可靠性和鲁棒性。

本发明的一方面提供了一种基于RRC的PUF可靠性保障系统，该系统包括：控制模块，用于整个系统的控制，包括流程控制，数据库数据的读写，认证结果的判断以及安全数据的配置；激励生成模块，用于数据库建立时激励组的生成；RRC模块，用于将PUF电路的响应序列转换为RRC码，备后续模块进行检测；强特征检测模块，用于检测RRC模块生成的RRC码的闭合性，计算吻合度，并与用户配置的安全数据进行对比；数据库接口模块，用于与数据库进行数据交互以及维护；安全性配置接口，用于与用户界面进行安全数据交互。

本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的一个实施例中，控制模块进一步包括：流程控制模块，用于整个流程的控制，两种模式间的切换，即数据库建立模式和身份认证模式；数据配置模块，用于读取用户的安全性数据，并完成运行模式判断模块，认证结果判断模块以及强特征检测模块的安全数据配置；认证结果判断模块，统计所有强特征序列的吻合度，并作身份认证结果的判断；

本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的一个实施例中，流程控制模块进一步包括：运行模式判断模块，用于判断数据库建立模式或者是身份认证模式；数据库建立模块，用于在安全环境下身份数据库建立的流程控制；认证模块，用于不可靠环境下身份认证的流程控制。

本发明的另一方面提供了一种基于RRC的PUF可靠性保障实现方法，该方法包括：运行模式判断，是数据库建立模式或者是认证模式；根据运行模式判决结果做出相应操作，进入数据建立模式或者是认证模式。

本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障实现方法的一个实施例中，数据库建立模式进一步包括：激活芯片，通过读取装置激活芯片；读取芯片ID，通过读取装置读取芯片ID=X，并在数据库中建立ID=X的对应数据库，包括特征序列数据库和强特征序列数据库；

生成激励，通过激励生成模块生成激励，备后续使用；特征值获取，将生成的激励给芯片的PUF电路进行运算，并获取该响应。备后续判别使用；强特征值判断，通过RRC模块和强特征检测模块判断所获取的响应是否是强特征值。备后续数据库建立使用。激励响应对的建立，根据强特征值判决结果将激励响应对存储在数据库中。若是强特征值，将该激励响应对存入ID=X数据库的强特征数据库；若不是强特征值，将该激励响应对存入ID=X数据库的特征数据库。

本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障实现方法的一个实施例中，认证模式进一步包括：激活芯片，通过读取装置激活芯片；读取芯片ID，通过读取装置读取芯片ID=X，并在数据库中检索ID=X的对应数据库；随机特征检测，从特征数据库中随机抽取激励响应对，将该激励发送给PUF电路并获取返回的响应。将该响应与数据库中的特征值对比进行身份认证；根据随机特征检测的结果做出相应操作，即完全相等时，身份得到认证。不相等时，进行强特征检测。

本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障实现方法的一个实施例中，强特征检测进一步包括：获取强特征数据库，从ID=X的数据库中取出强特征数据库；获取芯片的强特征序列，依次将强特征激励通过读取装置给芯片，并获取响应序列。备后续步骤使用；强特征闭合性检测，将上述响应序列通过RRC模块和强特征检测模块，检测强特征序列闭合性并与设定的吻合度对比；身份认证，重复上述步骤，根据所有强特征检测结果得出身份认证结果；若总体认证结果低于吻合度，则身份认证失败；若总特认证结果高于或等于吻合度，则身份认证成功，并根据获取的强特征序列更新数据库。

本发明提供了一种基于RRC的PUF可靠性保障系统及实现方法，该系统和方法可应用于现有PUF电路身份认证中，通过对强特征值的动态检测和维护，提高了现有PUF电路的可靠性。

附图说明

附加的并且形成说明书一部分的附图包括在本发明的特定方面的描写中。本发明以及本发明提供的系统的模块和流程的更清楚的概念，通过参考示例以及附图中示出非限制性的实施例将更容易理解。通过参考一个或多个附图结合本发明的描述可以更好的理解本发明。

图1 示出25天时间内电路老化对PUF电路的影响波形图（Extracting Secret Keys From Integrated Circuits，Daihyun Lim, Jae W. Lee, Blaise Gassend，IEEE）；

图2 示出典型的RRC码环形生成电路图；

图3 示出RRC码与强特征码独特的双环形结构图；

图4 示出本发明实施例提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的具体实施方式的结构示意图，其中虚线框内部为本发明的系统内容；

图5 示出本发明实施例提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的一个实施方式中控制模块的具体实施方式的结构示意图；

图6 示出本发明实施例提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的一个实施方式中流程控制模块的具体实施方式的结构示意图；

图7 示出本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法的流程图；

图8 示出本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法数据建立模式的流程图；

图9 示出本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法认证模式的流程图；

具体实施方式

下面参照附图用本发明的示例性实施例对本发明进行更全面的描述和说明。

图1 示出本发明实施例提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的具体实施方式的结构示意图，其中虚线框内部为本发明的系统内容。

如图1所示，一种基于RRC的PUF可靠性保障系统100包括：控制模块102、激励生成模块104、RRC模块106、强特征检测模块108、数据库接口模块110、安全性配置接口模块112。

其中控制模块102，用于工作模式的判断，流程的控制，安全数据的配置和认证结果的判断。

激励生成模块104，用于在数据库建立时生成激励。例如，以16位激励为例，可以按照8421码的顺序依次输出0000000000000000～1111111111111111。

RRC模块106，用于将PUF电路生成的响应转换成RRC码的形式。在背景技术的图2中示出了一种RRC码的实现电路，图3中为16位特征序列对应的4位RRC码。备后续模块使用。

强特征检测模块108，用于根据RRC模块生成的RRC码的闭合性判断是否为强特征序列。若在数据库建立模式，则根据判断结果分别存储在特征数据库和强特征数据库中。若在认证模式，则根据RRC码环的闭合性与安全性配置的吻合度数据进行对比。结果备认证结果判断模块使用。

数据库接口模块110，用于与数据库的数据交互。包括建立数据库，读取激励响应对，维护强特征序列等。可以简单的将数据库分为两部分，即特征数据库和强特征数据库。

安全性配置接口112，用于对系统所有的控制与判断数据进行配置。包括工作模式的选择，认证吻合度的配置等。工作模式包括在安全环境下的数据库建立模式和未知环境下的认证模式。认证吻合度为在随机特征检测失败的情况下，检测强特征序列的正确性的依据，可以根据环境的安全性调整。

图2 示出本发明实施例提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的一个实施方式中控制模块的具体实施方式的结构示意图。

如图2所示，图1中控制模块101进一步包括：流程控制202、认证结果判断204、数据配置206。

其中，流程控制202，用于判断系统的工作模式，是数据库建立模式或者认证模式。判断的依据是通过安全性配置接口的配置数据。

认证结果判断204，用于在认证模式下对认证结果的判断。包括两部分判断，在随机特征序列检测时，若PUF电路返回的响应与库中的激励响应对吻合则判断其身份正确。否则，进行强特征检测，统计强特征检测模块108生成的结果，并与安全性配置数据进行对比。若高于该数据则身份认证成功，否则失败。

数据配置206，用于安全性数据的配置。包括对流程控制模块202的工作模式的选择，对强特征检测模块和认证结果判断模块的认证吻合度配置。

图3 示出本发明实施例提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统的一个实施方式中流程控制模块的具体实施方式的结构示意图。

如图3所示，图2中的流程控制模块202进一步包括：运行模式判决模块302、数据库建立模块304、认证模块306。其功能将在下文中详细描述，为简洁起见，这里不再赘述其技术内容。

图4 示出本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法的流程图。

如图4所示，一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法的流程400包括：

步骤402，判断当前的运行模式，是数据库建立模式或者是认证模式。例如，判断结果为数据库建立模式。

步骤404，进入数据库模式，开始建立目标芯片的数据库。详细过程见图5，此处不再赘述。

步骤406，判断进行认证之前是否重新设定相关的认证数据。例如，判断结果为需要重新设定安全性数据。

步骤408，认证数据配置，包括强特征检测模块108和认证结果判断模块204的安全性数据和吻合度设定。

步骤410，认证模式，开始目标芯片的认证过程。详细过程见图6，此处不再赘述。

图5示出本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法数据建立模式的流程图。

如图5所示，一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法数据建立模式的流程500包括：

步骤502，激活芯片，通过读取装置激活芯片。例如，RFID卡的读取装置发射磁场。

步骤504，读取芯片ID，通过读取装置读取芯片ID。例如，芯片ID=X。

步骤504，检索该ID数据库是否存在。例如，在数据库中检测ID=X的数据库是否已存在。若已存在，则返回出错信号并结束本次流程。若不存在，则进入流程506。

步骤506，建立数据库，在数据库中建立该芯片的特征数据库和强特征数据库。例如，通过数据库接口在数据库中建立ID=X的数据库，数据库大小由激励响应对的长度决定。

步骤508，生成激励，通过激励生成模块生成激励，并通过读取装置将激励传输至PUF电路进行运算。运算结果备后续步骤使用。

步骤510，特征值获取，通过读取装置获取步骤508生成的运算结果即响应。备后续步骤使用。

步骤512，强特征值判断，响应经过RRC电路生成RRC码，强特征检测模块通过检测RRC码的闭合性进行判断。例如，响应为0111111110000000或者该序列循环移位后的序列，则为强特征值。当然，此处还有其他多组的强特征值。

步骤514，若不是强特征值，则将激励响应对存入特征数据库。

步骤516，若是强特征值，则将激励响应对存入强特征数据库。

步骤518，激励响应对是否建立完整。若激励响应对个数=N，则建库结束，该流程结束。若<N，则返回步骤508，流程继续进行。例如，16位的激励，最多可以建立2¹⁶个激励响应对。此处的N也可以进行设定。

图6示出本发明提供的一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法认证模式的流程图；

如图5所示，一种基于RRC的PUF可靠性保障系统实现方法认证模式的流程600包括：

步骤602，激活芯片，通过读取装置激活芯片。例如，RFID卡的读取装置发射磁场。

步骤604，读取芯片ID，通过读取装置读取芯片ID。例如，芯片ID=X。

步骤606，检索特征数据库是否存在。用于检测该芯片是当否已经建立了认证数据库。若不存在，则返回错误信号，认证失败，认证流程结束。

步骤608，若存在，则进行随机特征检测。例如，在ID=X的特征数据库中随机选取激励响应对进行检测。

步骤610，根据认证结果进行判断。若认证成功，则身份得到确认，认证结束。例如，在ID=X中随机选取的激励响应对与该激励通过PUF电路产生的响应相同，则身份认证成功。ID=X正确。

步骤612，若认证失败，则进行强特征检测，检索强特征数据库。例如，检测出ID=X的强特征数据库。

步骤614，通过库中的激励获取芯片响应。例如，将ID=X的激励通过芯片的PUF电路产生响应。

步骤616，将步骤614中产生的响应通过RRC电路，产生RRC码。

步骤618，强特征检测，对步骤616中产生的RRC码进行闭环程度检测，并与配置的安全性数据对比。备后续步骤使用。

步骤620，记录检测状况，在认证结果判断模块204中记录步骤618的运算结果。

步骤622，判断循环次数是否<N，即判断是否所有的强特征值都经过检测。例如，16位强特征值检测时，则具有16个强特征值，N=16。当然，此处的强特征值可能有n*16个（n的个数正在研究中，实际上个数越多对于PUF电路覆盖率越高）。

步骤614，若循环次数<N，则回到步骤614，依次取下一组强特征值进行检测。

步骤624，若循环次数=N，则已认证完全，通过认证结果判断模块计算出最终认证结果。备后续步骤使用。

步骤626，认证结果判断。若认证失败，则返回认证结果，认证流程结束。

步骤628，若认证成功。则更新强特征数据库，返回认证结果，认证结束。例如，以4位RRC码的一个强特征序列0111111110000000为例。如果在一次强特征序列读取时发现第二位的错误，输出了0。若最终认证成功，可以知道这一个PUF节点损坏或受到干扰，0011111110000000便成为了新的特征序列加以存储。其中的损坏位也继续作为该芯片的特有特征而接受认证。

参考前述本发明示例性的描述，本领域技术人员可以知晓本发明具有以下优点：

(1)允许强特征序列在规定的吻合度之内变化，显著增强了PUF电路的可靠性；

(2)RRC码的独特闭环结构能够快速而准确的定位错误节点。而一般的方式是通过不断地读取特征序列进行对比，明显提高了效率；

(3)由原先静态的一般特征进行身份确认到动态的强特征进行身份确认，进一步增强了PUF电路的抗攻击能力，对PUF电路中老化等不可控因素造成的影响进行追踪和动态维护，使得芯片更加难以克隆；

(4)可以根据环境的可信度定制不同的检测策略

(5)依据已经获得国家发明专利，创新的提出采用符合RRC特征环的强特征码实现PUF的可靠性保障；

(6)根据可靠性保障强度的要求，研究系列不同位数的基于RRC的特征码环的构造算法，并用于对PUF的可靠性保障；

(7)提出在现有PUF方案的基础上，使用基于RRC特征码环作为可靠性保障的隐性识别方法，在不改变现有PUF识别方法的情况下，将其作为现有PUF方法的身份识别补充手段；

(8)研究适合PUF身份识别的基于RRC特征环的可靠性身份识别算法模型和方法。

尽管本发明此处具体化一些特定的例子示出和描述，然而本发明不限制于所示出的细节，因为在不偏离本发明的精神以及在权利要求的范围和等同范围内，可以作出多种改进和结构变化。因此，宽范围地并且如权利要求中所阐明的在某种意义上与本发明的范围一致地解释附加的权利要求是适当的。

Claims

1.一种基于李氏无竞争计数码(RRC)的物理不可克隆函数(PUF)可靠性保障系统，其特征在于，所属系统包括：

控制模块，用于整个系统的控制，包括流程控制、数据库数据的读写、安全数据的配置和认证结果的判断；

激励生成模块，用于数据库建立时激励组的生成；

RRC模块，用于将PUF电路的强特征序列转换为RRC码，备后续模块进行检测；

强特征检测模块，用于检测RRC模块生成的RRC码的闭合性，计算吻合度，并与用户配置的安全数据进行对比；

数据库接口模块，用于与数据库进行数据交互；

安全性配置接口，用于与用户界面进行安全数据交互。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制模块进一步包括：

流程控制模块，用于整个流程的控制，两种模式间的切换，即数据库建立模式和身份认证模式；

数据配置模块，用于读取用户的安全性数据，并完成运行模式判断模块，认证结果判断模块以及强特征检测模块的安全数据配置；

认证结果判断模块，统计所有强特征序列的吻合度，并作身份认证结果的判断。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的流程控制模块进一步包括：

运行模式判断模块，用于判断数据库建立模式或者是身份认证模式；

数据库建立模块，用于在安全环境下身份数据库建立的流程控制；

认证模块，用于不可靠环境下身份认证流程的控制。

4.一种基于李氏无竞争计数码(RRC)的物理不可克隆函数(PUF)可靠性保障方法，其特征在于，所述方法包括：

运行模式判断，判断是数据库建立模式或者是认证模式；

根据运行模式判决结果做出相应操作，进入数据库建立模式或者是认证模式。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的数据库建立模式进一步包括：

激活芯片，通过读取装置激活芯片；

读取芯片ID，通过读取装置读取芯片ID=X；

建立数据库，在数据库中建立ID=X的对应数据库，包括特征序列数据库和强特征序列数据库；

生成激励，通过激励生成模块生成激励，备后续使用；

特征值获取，将生成的激励传输至芯片的PUF电路进行运算，并获取该响应，

备后续判别使用；

强特征值判断，通过RRC模块和强特征检测模块判断所获取的特征值是否是强特征值，

备后续数据库建立使用；

激励响应对的建立，根据强特征值判决结果将激励响应对存储在数据库中。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述强特征值判断进一步包括：

若是强特征值，将该激励响应对存入ID=X数据库的强特征数据库；

若不是强特征值，将该激励响应对存入ID=X数据库的特征数据库。

7.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述的认证模式进一步包括：

激活芯片，通过读取装置激活芯片；

读取芯片ID，通过读取装置读取芯片ID=X，并在数据库中检索ID=X的对应数据库；

随机特征检测，从特征数据库中随机抽取激励响应对，将该激励发送给PUF电路并获取返回的特征值，

两者对比进行身份认证；

根据随机特征检测的结果做出相应操作，即完全相等时，身份得到认证；

不相等时，进行强特征检测。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述的强特征检测进一步包括：

获取强特征数据库，从ID=X的数据库中取出强特征数据库；

获取芯片的强特征序列，依次将强特征激励通过读取装置给芯片，并获取响应结果，

备后续步骤使用；

强特征检测，将上述响应序列通过RRC模块和强特征检测模块，检测强特征序列闭合性并与设定的吻合度对比；

身份认证，重复上述步骤，根据所有强特征检测结果得出身份认证结果。

9.根据权利8所述方法，其特征在于，所述的身份认证进一步包括：

若总体认证结果低于吻合度，则身份认证失败；

若总特认证结果高于或等于吻合度，则身份认证成功，并根据获取的强特征序列更新数据库。