CN108199845A - 一种基于puf的轻量级认证设备及认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PUF的轻量级认证设备及认证方法，认证设备包括控制模块和分别与控制模块相连的环形振荡器阵列、选择模块、计数器组、比较器组、纠错模块和通讯模块；通讯模块负责将激励信号输入给控制模块，控制模块清空计数器组和比较器组、复位纠错模块并将激励信号输入至选择模块；选择模块选择一对RO对连接到计数器；控制模块使能环形振荡器阵列，计数器统计RO电路振荡次数并将计数值传送给比较器；比较器产生原始PUF响应发送给纠错模块进行纠错编码后通过通讯模块将发还其他设备。本发明的轻量级认证方法具有不需要存储密码资源、不需要具备复杂的密码运算能力、认证协议简单，通信量小优点。

Description

一种基于PUF的轻量级认证设备及认证方法

技术领域

本发明涉及一种基于PUF的轻量级认证设备及认证方法。

背景技术

随着计算机、网络技术的迅速发展。在各类信息系统中，身份认证是一种非常重要的安全机制，能够确保人员或设备的身份真实性，在合法性检验的基础上，以便对用户或者平台进行资源授权管理，防止非法人员使用或非法设备接入信息系统造成安全威胁。实现身份认证的方式有很多，较简单的方式如基于用户名和口令的认证，较复杂的方式如基于生物指纹、数字证书、U盾的认证等，常用信息系统普遍支持基本的用户名和密码认证方式，并可采用其它方式作为辅助因子也称为双因子或多因子认证实现高强度身份认证。目前市场应用中较为广泛的认证方式是采用密码认证设备实现身份认证，其核心是基于密码技术确保强认证性，密码认证设备具备密码运算功能并存储了用户或设备的身份信息及公私钥，使用时通过密码算法计算出一个凭证，通常是对消息的数字签名，验证者对凭证采用密码算法核验后确定身份的合法性。目前普遍采用的基于数字证书使用密码认证设备实现身份认证这种方式，除了不适用于无线网络环境外，还存在几个问题：

(1)密码认证设备难以同时具备高安全性和使用便利性

密码认证设备需要对私钥或者秘密信息进行安全存储，一种较安全的方式是私钥或者秘密信息存储在非易失性存储器中，基于根密钥加密保护，根密钥采用分割存储的方式，根密钥一部分存储在非易失性存储器中，根密钥另一部分在设备使用时外部注入，这种方式需要设备硬件上增加密钥注入接口，使用时需要外接注入设备，很不方便，实现高安全性的同时失去了使用便利性；另一种较方便的方式是私钥或者秘密信息存储在非易失性存储器中并通过预制密钥加密保护，预制密钥出厂时也明存在设备中，这种方式具备使用便利性，但预制密钥一旦泄露，危害极大，不具备高安全性。

(2)密码认证设备产品价格较高

密码认证设备需要执行复杂的密码运算，需要在设备中增加支持密码运算的软硬件模块，出于使用的安全需求，密码运算通常采用专用密码芯片或FPGA芯片实现，硬件成本和开发成本较高，导致产品价格很难降低，不便于大量装备使用。

(3)密码认证设备管理成本较高

密码认证设备加载有密码资源，丢失有较大风险，可能导致需要大面积更换密码资源。另外设备本身存在被克隆的风险，攻击者通过一定的手段获取私钥或者秘密信息后，能够克隆出一个可以通过身份认证的设备。所以密码认证设备需要加强管理。

借鉴当前普遍使用的基于人体唯一特征指纹或虹膜对个人实施认证的思想，人们提出了基于物理实体的内在物理构造来唯一地标识单个物理实体，实现对物理实体有效认证的方法，也就是人们提出物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)概念的来源，认证是物理不可克隆函数最基本的应用。

由于PUF的不可克隆性、防篡改和轻量级等属性，使用PUF用于认证是一种非常有用的安全技术。PUF是指对一个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。这类物理实体受生产工艺中不可控制的随机因素影响，任意两个物理组件的响应是相互独立的，具有唯一性，类似于人类的指纹，而且受生产工艺水平的限制，复制一个具有相同响应的物理组件是不可能的，所以称其为不可克隆函数。显然，它最主要的优势是可以抵抗物理克隆攻击的发生。同时相对于资源有限的物理实体来说，它的优势还包括这种不能被克隆的激励响应行为不仅可以实现一些与传统密码技术一样的功能，而且还能大大减少计算、存储和通信开销。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种基于PUF的轻量级认证设备及认证方法，是基于设备指纹的，不需要存储密码资源、不需要具备复杂的密码运算能力、认证协议简单通信量小的轻量级认证。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于PUF的轻量级认证设备，包括控制模块和分别与控制模块相连的环形振荡器阵列、选择模块、计数器组、比较器组、纠错模块和通讯模块；所述环形振荡器阵列、选择模块、计数器组、比较器组、纠错模块和通讯模块依次相连；其中：

所述通讯模块负责将接收到的其他设备发送的激励信号输入给控制模块，并将纠错模块完成纠错编码后的PUF响应发还给其他设备；

所述控制模块在接收到激励信号后，通过计数控制信号清空计数器组，通过比较控制信号清空比较器组，通过纠错控制信号复位纠错模块，并将激励信号输入至选择模块；所述选择模块根据激励信号从环形振荡器阵列中选择一对RO对连接到计数器；

所述控制模块通过使能控制信号使能环形振荡器阵列，所述计数器开始统计RO电路振荡次数，并在控制模块通过使能控制信号关闭RO电路后，将统计出的计数值传送给比较器；所述比较器产生原始PUF响应发送给纠错模块；所述纠错模块对原始PUF响应进行纠错编码后发送给通讯模块。

本发明还提供了一种基于PUF的轻量级认证方法，包括如下两个阶段：

一、登记阶段：在认证设备部署之前，在可信任的环境中构建CRPs数据库；

二、认证阶段：

1)验证者从CRPs数据库中读取一个挑战响应对CRP；

2)使用CRP的挑战值C对待证明设备发起挑战；

3)待证明设备获得挑战C后，基于设备固有的PUF产生响应R’，并返回给验证者；

4)验证者将响应R’与从CRPs数据库读出的响应R进行对比，如果两者一致则表明此设备为真，否则设备可能被替换或者篡改。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明涉及的轻量级认证方法具有不需要存储密码资源、不需要具备复杂的密码运算能力、认证协议简单，通信量小优点，可以有效解决密码认证设备存在的不能同时具备高安全性和使用便利性、产品价格难以降低、产品难以管理等问题。可以广泛应用于各类军事信息系统的身份认证，能够满足各种应用和信息系统对安全认证的需求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为基于PUF的认证设备的架构图；

图2为基于PUF的登记阶段示意图；

图3为基于PUF的认证阶段示意图。

具体实施方式

一、基于PUF的轻量级认证设备：

基于PUF的认证设备的架构如图1所示。认证设备总体架构总共包括七个模块，分别是：环形振荡器阵列、选择模块、计数器组、比较器组、纠错模块、通讯模块和控制模块。

环形振荡器阵列由一定数量的环形振荡器电路(RO电路)构成，环形振荡器阵列中每一组RO电路相互独立，由于制造过程中引入的存在随机差异，每一组RO电路输端输出的震荡信号的震荡频率存在差异。

选择模块与RO矩阵中每个RO的频率输出端相连接，其作用是根据激励信号从RO阵列中选取RO对，并且将它们的振荡信号输出到对应的计数器对上。选择模块主要用于容纳或实现相关的RO配对算法，解决如何从RO阵列中有效选取RO对的问题。

计数器的作用是用于统计每个RO在一定时间内的振荡次数，通过一定的采样时间来将不同RO之间的频率差异进行积累，并且将相应的计数值传送给比较器，以实现差异放大的目的。

比较器组由一定数量的比较器构成，其数量可以与选择模块输出RO对的数量相同，即每一个RO对对应一个比较器。比较器组的作用就是对计数器组输出的计数值进行比较，从而生成响应输出。

纠错模块用来提高RO PUF输出的稳定性，减少或消除响应中不稳定的输出比特。

通讯模块主要完成PUF系统与整个加密系统中的其他设备进行数据交换工作，一般情况下负责接收由其他设备发送的激励信号，并将激励信号输入到PUF中，交给控制模块处理。当PUF响应生成并完成编码后，通过通讯模块将PUF响应发还给其他设备。

控制模块的主要职责是对各个功能模块的协调和控制，使得各个模块之间能够有序地工作。

设备的工作流程如下。

1)在系统开机后，通讯模块处于侦听状态。当有外界有信号输入时，通讯模块判断是否为激励信号，如果不是激励信号则忽略此信号；如果是激励信号，则将激励信号处理后交给控制模块。同时在响应发送出去之前，通讯模块不再接收新的激励信号；

2)接收到激励信号后，控制模块通过计数控制信号清空计数器，通过比较控制信号清空比较器组，通过纠错控制信号复位纠错模块，并将激励信号输入至选择模块，选择模块根据激励信号选择一对RO对连接到计数器。

3)控制模块通过使能控制信号使能环形振荡器阵列，计数器开始统计RO电路振荡次数。一定时间后，控制模块通过使能控制信号关闭RO电路，计数器停止计数并且将计数值传送给比较器，比较器进而产生最原始PUF响应；

4)在纠错模块接收比较器产生的原始PUF响应，进行纠错编码完成后，通讯模块将PUF响应发送出去，同时通讯模块恢复接收功能，开始新一轮的信道侦听。

二、基于PUF的轻量级认证方法：

基于PUF的轻量级认证采用支持CRPs的强PUF实现，参与方为认证设备和CRPs数据库服务器。实现身份认证分为两个阶段：登记阶段和认证阶段。

登记阶段：该阶段在认证设备部署之前进行，由厂商或设备管理者随机生成一些挑战值对认证设备的强PUF进行挑战，并记录响应，将这些挑战响应对(CRPs)记录到数据库中。厂商或设备管理者对将要部署的每个认证设备都进行该操作，所有认证设备可用的CRPs都会保存到数据库中。登记阶段必须在可信任的环境中完成。如图2所示。

认证阶段：对每个认证设备采集好PUF挑战响应对CRPs后，就可以使用认证设备。此时认证设备所处的环境可以是各种不可信的网络环境，认证设备可能被替换、被攻击。基于存储的CRPs，可以在不可信的环境中进行身份认证，主要认证过程如图3所示：

1)验证者(网络或者系统管理员)从登记阶段所存储的数据库中读取一个挑战响应对CRP；

2)使用CRP的挑战值C对待证明设备发起挑战；

3)待证明设备获得挑战C后，基于设备固有的PUF产生响应R’，并返回给验证者；

4)验证者将从设备接收到的响应R’与数据库读出的响应R进行对比，如果两者一致则表明此设备为真，否则设备可能被替换或者篡改；

5)将CRP数据库中已经用过的这个CRP进行删除，保证攻击者即使记录这次的CRP也无法进行重放攻击。

Claims (6)

1.一种基于PUF的轻量级认证设备，其特征在于：包括控制模块和分别与控制模块相连的环形振荡器阵列、选择模块、计数器组、比较器组、纠错模块和通讯模块；所述环形振荡器阵列、选择模块、计数器组、比较器组、纠错模块和通讯模块依次相连；其中：

所述通讯模块负责将接收到的其他设备发送的激励信号输入给控制模块，并将纠错模块完成纠错编码后的PUF响应发还给其他设备；

所述控制模块在接收到激励信号后，通过计数控制信号清空计数器组，通过比较控制信号清空比较器组，通过纠错控制信号复位纠错模块，并将激励信号输入至选择模块；所述选择模块根据激励信号从环形振荡器阵列中选择一对RO对连接到计数器；

所述控制模块通过使能控制信号使能环形振荡器阵列，所述计数器开始统计RO电路振荡次数，并在控制模块通过使能控制信号关闭RO电路后，将统计出的计数值传送给比较器；所述比较器产生原始PUF响应发送给纠错模块；所述纠错模块对原始PUF响应进行纠错编码后发送给通讯模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于PUF的轻量级认证设备，其特征在于：所述环形振荡器阵列中每一组RO电路相互独立，且每一组RO电路输出的震荡信号的震荡频率存在差异。

3.根据权利要求1所述的一种基于PUF的轻量级认证设备，其特征在于：所述通讯模块在PUF响应发送出去之前，不再接收新的激励信号。

4.一种基于PUF的轻量级认证方法，其特征在于：包括如下两个阶段：

一、登记阶段：在认证设备部署之前，在可信任的环境中构建CRPs数据库；

二、认证阶段：

1)验证者从CRPs数据库中读取一个挑战响应对CRP；

2)使用CRP的挑战值C对待证明设备发起挑战；

3)待证明设备获得挑战C后，基于设备固有的PUF产生响应R’，并返回给验证者；

4)验证者将响应R’与从CRPs数据库读出的响应R进行对比，如果两者一致则表明此设备为真，否则设备可能被替换或者篡改。

5.根据权利要求4所述的一种基于PUF的轻量级认证方法，其特征在于：构建CRPs数据库的方法为：随机生成一些挑战值对认证设备的强PUF进行挑战，并记录响应，然后将这些挑战响应对CRPs记录到数据库中；对将要部署的每个认证设备都进行该操作，将所有认证设备可用的CRPs都保存到数据库中。

6.根据权利要求4所述的一种基于PUF的轻量级认证方法，其特征在于：每个CRP被使用过后均应从CRPs数据库中删除。