CN107749791A - Ldpc码在puf基于码偏移架构纠错中的应用方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法及装置，注册过程中，激励经过PUF后生成响应y，经过哈希函数生成注册密钥，同时利用响应y生成协助数据e＝y⊕c，并存储协助数据e；c为LDPC码码元；验证过程中，激励经过PUF后生成响应y’，从y’中减掉存储的协助数据e，再对y’⊕e进行LDPC码纠错，得到y纠错后的结果最后将通过哈希函数得到再生成密钥。本发明利用码偏移架构，将LDPC码利用到PUF上，实现了在较差外界环境下对PUF的纠错。并且LDPC码可以并行译码，符合PUF低功耗，较低复杂度的要求，在较差外界环境下，LDPC对于PUF的纠错能力比现有的BCH码等更强。

Description

LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法及装置
技术领域
本发明涉及一种纠错码技术,具体涉及一种LDPC码在PUF基于码偏移(Code-offset)架构纠错中的应用方法及装置，属于硬件安全技术领域。
背景技术
PUF(物理不可克隆技术)是一种利用产品生产过程中存在的内在的随机性，来生成密钥的数字电路。它可以多次重新生成密钥。但是，PUF的输出会因为环境因素(例如温度，供电电压等)的不同而改变。因此，在实际使用PUF时，必须利用纠错技术纠正在重新生成密钥时的错误。
目前用于PUF纠错的技术中，最经常使用的是BCH码，BCH也是一种线性分组码，在环境噪声比较小时，BCH纠错性能较好，但是当环境噪声比较大，也就是PUF实际应用中外界环境变化较大时，BCH无法纠错性能较差，PUF无法用于生成密钥或一些认证场景。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法及装置，利用码偏移架构，将LDPC码利用到PUF技术上，实现在较差外界环境下对PUF的纠错。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法，包括注册过程和验证过程，其中注册过程包括：激励经过PUF后生成响应y，经过哈希函数生成注册密钥，同时利用响应y生成协助数据并存储协助数据e；其中c为一个LDPC码码元；
验证过程包括：激励经过PUF后生成响应y’，从y’中减掉存储的协助数据e，再对 进行LDPC码纠错，得到y纠错后的结果最后将通过哈希函数得到再生成密钥。
作为优选，注册过程中生成协助数据的方法为：将一个随机的码字经过LDPC编码器，生成一个随机的码元c，c与PUF的响应y做按位异或运算得到协助数据e。
作为优选，验证过程中进行纠错的方法为：将y’与协助数据e进行按位异或运算，将运算结果放入LDPC译码器，生成估计值再和协助数据e进行按位异或运算，得到对y的纠错结果
作为优选，验证过程中选择最小和算法进行LDPC译码。
LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用装置，包括：
PUF单元，用于根据激励生成响应；
协助数据生成单元，用于生成协助数据其中y为注册过程中PUF单元生成的响应，c为一个LDPC码码元；
协助数据存储单元，用于存储协助数据e；
密钥再生成单元，用于将验证过程中PUF单元生成的响应y’与存储的协助数据e按位异或，再对结果进行LDPC码纠错，得到y纠错后的结果
以及，哈希散列单元，用于对PUF单元生成的响应或纠错后的响应结果进行散列运算，生成最终密钥。
作为优选，所述协助数据生成单元包括：
LDPC编码器，用于生成LDPC码码元c；
以及，模2加法器，用于将c与PUF单元的响应y做按位异或运算。
作为优选，所述密钥再生成单元包括：
第一模2加法器，用于将y’与协助数据e进行按位异或运算；
LDPC译码器，用于对第一模2加法器运算的结果进行LDPC译码；
以及，第二模2加法器，用于将LDPC译码器的运算结果与协助数据e进行按位异或运算，输出纠错后的结果
有益效果：本发明利用码偏移架构，将LDPC码利用到PUF上，可以有效改善PUF在复杂环境下的错误率。LDPC码是一种线性分组码，可以并行译码，符合PUF低功耗，较低复杂度的要求。实验证明在较差外界环境下，LDPC对于PUF的纠错能力比现有的BCH码等更强。
附图说明
图1为PUF纠错的过程示意图。
图2为生成协助数据的过程示意图。
图3为密钥再生成的过程示意图。
图4为本发明与BCH码对于PUF纠错的性能比较结果图(码长：128、码率：1/8)。
图5为本发明与BCH码对于PUF纠错的性能比较结果图(码长：128、码率：1/4)。
图6为本发明与BCH码对于PUF纠错的性能比较结果图(码长：256、码率：1/8)。
图7为本发明与BCH码对于PUF纠错的性能比较结果图(码长：256、码率：1/4)。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例公开的一种LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法，包括注册和验证两个过程。
首先，激励(challenge)通过PUF生成相应的响应(response)，这成为注册(enrollment)过程。
当将PUF用于验证时，需要输入challenge来检测生成的response是否与注册的结果相同，实现对设备的认证。但是因为PUF的输出还会被环境因素干扰，因此纠错的过程必不可少。
在我们使用的结构中，在注册过程中，激励经过PUF后生成响应y，从使用的LDPC码中随机选取一个码元c，生成协助数据并存储协助数据e在III中，之后y就可以被删除了。在密钥再生成过程中，y变成了从y’中减掉在III中存储的e，之后就可以对进行纠错，这就可以看作是LDPC码元的错误，利用LDPC码的纠错技术，就可以实现对于PUF的纠错，生成了也就是y纠错后的结果。最后通过哈希散列，提高密钥的随机性。
图2具体展示了在II生成协助数据过程中是如何使用LDPC编码器的。一个随机的码字经过LDPC编码器，生成一个随机的码元c，c与PUF的响应y做模二的加法就生成了协助数据e。
图3具体展示了IV密钥再生成过程中是如何使用LDPC译码器的。当相同的激励通过PUF后，因为环境因素的影响，会产生与注册时的y有少量差异的y’＝y+e’，e’是由于环境因素造成的差异。将y’与存储在III中的e进行模二加法再将这个结果放入LDPC译码器，当差异e’在使用的LDPC码纠错范围内时，就可以成功纠错，生成估计值再和协助数据e进行模二加法，就生成了对y的纠错结果
关于LDPC码，这是一种线性分组码，有很多的译码算法，在本发明中，为了较好的纠错性能，我们选择标准的最小和算法来进行译码。
对于一个规则的(n,k)LDPC码，有n个变量节点和k个校验节点，并且校验矩阵H是一个(n-k)*n大小的矩阵。在译码过程中，译码信息会在校验节点和变量节点之间互相传递。
表1变量说明
那么，纠错算法就可以这样表述：
对于所有满足Hij＝1的i和j,
1)初始化:
L(qij)＝L(ci)＝yi.//L表示运算中使用的是对数似然比(LLR)
2)迭代译码：
当1≤it≤itermax时，
当1≤i≤M时，
对于任意的j，
当1≤j≤N时，
对于任意的i，
3)判断结果:
如果L(Qi)＞0，那么结果输出为0，否则结果输出为1。
本发明实施例公开的一种LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用装置，包括：PUF单元，用于根据激励生成响应；协助数据生成单元，用于生成协助数据其中y为注册过程中PUF单元生成的响应，c为一个LDPC码码元；协助数据存储单元，用于存储协助数据e；密钥再生成单元，用于将验证过程中PUF单元生成的响应y’与存储的协助数据e按位异或，再对结果进行LDPC码纠错，得到y纠错后的结果哈希散列单元，用于对PUF单元生成的响应或纠错后的响应结果进行散列运算，生成最终密钥。
其中，协助数据生成单元包括：LDPC编码器，用于生成LDPC码码元c；模2加法器，用于将c与PUF单元的响应y做按位异或运算。密钥再生成单元包括：第一模2加法器，用于将y’与协助数据e进行按位异或运算；LDPC译码器，用于对第一模2加法器运算的结果进行LDPC译码；第二模2加法器，用于将LDPC译码器的运算结果与协助数据e进行按位异或运算，输出纠错后的结果
为了验证本发明方法的效果和优势，我们可以将PUF的纠错过程考虑为一个对于BSC信道的纠错，从图4-7我们可以看到，当BSC信道的条件差错概率变大，也就是BSC信道状况变差，即环境变化剧烈时，LDPC码在不同码率和码长都表现出了比BCH码更好的纠错性能。
应用示例1：PUF可以用于密钥生成场景，这时候我们的发明就可以被使用。如在银行银行的密码锁中，我们使用PUF。生产厂家在生产时对PUF进行测试，计算出一系列的激励-响应对，告诉买家，作为密码。当有人想进入时，他所应该有的密码是激励响应对，当他输入激励相应对时，密码锁将两部分分离，将激励部分输入到PUF中，产生响应，将这时的响应与输入部分的响应对比，当完全吻合时认为密码正确，开门成功。而PUF响应的再生成过程就可以用到我们的发明。
应用示例2：PUF可以用于设备认证场景。我们考虑一个物联网场景，电动汽车去充电桩充电，充电桩该如何识别电动汽车是“善意的”，不会对自己造成损坏呢。在电动汽车上装上PUF芯片，充电桩向PUF发送激励，检测返回的响应是否与应该的响应相同，就可以实现对汽车的认证。在发送激励得到激励的过程中，电动汽车的PUF就可以用到我们的发明进行纠错。

Claims (7)

1.LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法，其特征在于，包括注册过程和验证过程，其中注册过程包括：激励经过PUF后生成响应y，经过哈希函数生成注册密钥，同时利用响应y生成协助数据e＝y⊕c，并存储协助数据e；其中c为一个LDPC码码元；
验证过程包括：激励经过PUF后生成响应y’，从y’中减掉存储的协助数据e，再对y’⊕e进行LDPC码纠错，得到y纠错后的结果最后将通过哈希函数得到再生成密钥。
2.根据权利要求1所述的LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法，其特征在于，注册过程中生成协助数据的方法为：将一个随机的码字经过LDPC编码器，生成一个随机的码元c，c与PUF的响应y做按位异或运算得到协助数据e。
3.根据权利要求1所述的LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法，其特征在于，验证过程中进行纠错的方法为：将y’与协助数据e进行按位异或运算，将运算结果放入LDPC译码器，生成估计值 再和协助数据e进行按位异或运算，得到对y的纠错结果
4.根据权利要求1所述的LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用方法，其特征在于，验证过程中选择最小和算法进行LDPC译码。
5.LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用装置，其特征在于，包括：
PUF单元，用于根据激励生成响应；
协助数据生成单元，用于生成协助数据e＝y⊕c，其中y为注册过程中PUF单元生成的响应，c为一个LDPC码码元；
协助数据存储单元，用于存储协助数据e；
密钥再生成单元，用于将验证过程中PUF单元生成的响应y’与存储的协助数据e按位异或，再对结果y’⊕e进行LDPC码纠错，得到y纠错后的结果
以及，哈希散列单元，用于对PUF单元生成的响应或纠错后的响应结果进行散列运算，生成最终密钥。
6.根据权利要求5所述的LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用装置，其特征在于，所述协助数据生成单元包括：
LDPC编码器，用于生成LDPC码码元c；
以及，模2加法器，用于将c与PUF单元的响应y做按位异或运算。
7.根据权利要求5所述的LDPC码在PUF基于码偏移架构纠错中的应用装置，其特征在于，所述密钥再生成单元包括：
第一模2加法器，用于将y’与协助数据e进行按位异或运算；
LDPC译码器，用于对第一模2加法器运算的结果进行LDPC译码；
以及，第二模2加法器，用于将LDPC译码器的运算结果与协助数据e进行按位异或运算，输出纠错后的结果
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