CN108921995A - 基于物理不可克隆技术的rfid卡片式智能门锁 - Google Patents

基于物理不可克隆技术的rfid卡片式智能门锁 Download PDF

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曹元�
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Abstract

一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，包括RFID卡片、门锁和数据库；数据库设置在后台服务器上，当接收到RFID卡片对应的ID时，数据通过互联网与数据库中的数据进行比较；数据库用于储存每个RFID卡片对应的ID；门锁内芯片包括PUF电路，RFID卡片包括RFID模块，RFID模块用于产生激励，PUF电路接收到激励后，产生对应秘钥，数据库提供匹配源，与PUF电路产生的秘钥进行比较，实现认证，基于门锁密码认证模式进行开锁；本发明PUF电路可以抵御探针攻击物理攻击，内部并不储存密钥信息，因此他人无法通过探针等读取芯片密钥，盗取内部信息，这就大大提高了门锁的安全性。

Description

基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁
技术领域
本发明涉及一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，属于智能门锁领域。
背景技术
目前，RFID卡片被广泛用于身份的认证、防伪等领域，但是RFID的安全性并不高，目前的智能门锁，尤其是卡片式的智能门锁，都存在一定的安全隐患，特别是阅读器与标签的通信过程缺乏有效的安全保护措施，RFID被攻克、被复制的案例也并不鲜见。因为长期处于暴露环境下，无法使用复杂的抗攻击设计来保护其内在的密码信息，同时过多的安全模块又会导致功耗的增加，使用寿命的缩短。现有技术中，门锁多采用RFID技术，但是其安全性却不高，如果通过设计复杂算法来提高其安全性，则功耗会增加，导致寿命缩短，因此市场迫切需要一种能够兼顾成本、功耗及安全性的安全技术。
物理不可克隆技术是国际上一种新兴的、高安全性且成本较低的硬件安全技术。最早，MIT的Pappu在论文中提出物理不可克隆函数的概念，Gassend等人则最早在论文中提出了基于硅的PUFs，这极大地推动了PUF的发展与应用。目前在国际上开发PUF技术的仅有两家新兴公司：Verayo和Intrisic-ID。这两家公司的产品各有不同：Verayo利用相同结构的电路路径延迟的微小差异产生随机输出；Intristic-ID则利用SRAM(静态随机存取存储器)技术的物理特性，即在通电后，SRAM的单元所存储的数据是随机的，且每一个的芯片都是不同的。Verayo产品的优势在于功耗低，随机性好，但目前，已有文章称利用SVM等机器学习的方法将其破解。而基于SRAM的PUF，集成度高，结构简单。但是它的问题在于稳定性较差，并且由于器件的空间相关性，减少了它的有效存储容量。
目前国内并没有相关技术及其应用的报道。基于环形振荡器的PUF系统则具有稳定性好，设计布局简单的优点，再结合低功耗技术，使用钳位型反向器设计电路，能够有效地解决功耗与成本的问题，为PUF电路的工业化、商业化提供了可能。
发明内容
发明目的：为解决现有技术问题，本发明公开一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，基于物理不可克隆技术，门锁的密码是由内部PUF电路制造工艺偏差所决定的，由于每一个点PUF电路的误差都是随机产生的，所以每个门锁安全密码也是不一样的，这极大地提高了门锁的安全性。
本发明技术方案如下：
一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，包括RFID卡片、门锁和数据库；
数据库设置在后台服务器上，当接收到RFID卡片对应的ID时，数据通过互联网与数据库中的数据进行比较；数据库用于储存每个RFID卡片对应的ID；门锁内芯片包括PUF电路，RFID卡片包括RFID模块，RFID模块用于产生激励，PUF电路接收到激励后，产生对应秘钥，数据库提供匹配源，与PUF电路产生的秘钥进行比较，实现认证，基于门锁密码认证模式进行开锁。
PUF电路包括输入激励单元、PUF实现单元和检测输出单元；
输入激励单元接收RFID卡片激励，输入激励单元包括8bit的线性反馈移位寄存器，线性反馈移位寄存器产生两组Nbit的激励，分别为CB和CA，
其中N为正偶数；
PUF实现单元实现激励响应，PUF实现单元包括环形振荡器模块和双向计数器，环形振荡器模块基于成对的基本反相级模块和电流饥饿反相级模块组成环形电路；电流饥饿反相级模块的温度特性补偿振荡器由于温度变化产生的频率漂移；基于硬件复用，将反相级模块组成若干个环形振荡器；通过激励CB和激励CA对环形振荡器电路中多路选择器控制，得到第一频率ROA和第二频率ROB，由于工艺误差，第一频率ROA和第二频率ROB不相等；当第一频率ROA输入到双向计数器后，双向计数器设置为反向计数并且计数时间为T，双向计数器得到一组数值，所述数值为第一频率ROA与第二频率ROB的频率差值Δf；
检测输出单元包括三态检测器；Δf进入三态检测器，三态检测器设定门限值tthreshold，若频率差值Δf>+tthreshold,则三态检测器输出10；若Δf<-tthreshold,则三态检测器输出01；若-tthreshold<Δf<+tthreshold,则三态检测器输出00。
比较两个个不同组合的环形振荡器的频率得出随机输出数字序列，随机输出数字序列作为RFID的秘钥。
基于门锁密码认证模式进行开锁，具体包括以下步骤：
门锁内部PUF电路收到RFID卡片发出的激励，PUF电路产生秘钥ID，同时后台服务器上的数据库存储有所述门锁对应的正确ID，当由RFID卡片所产生的秘钥与正确ID相同时，RFID卡片为合法卡，是打开门锁的“钥匙”，门锁打开，认证完成。
PUF实现单元的响应位生成机制是通过比较不同二极管钳位型反相器的电压跳变点V；基于制造工艺的差别，每个反相器都有不同的电压跳变点V，每个PUF电路都存在唯一的激励响应。
门限值tthreshold根据历史数据设定。
本发明的有益效果包括：
本发明公开一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，锁的密码是由内部PUF电路制造工艺偏差所决定的，由于每一个点PUF电路的误差都是随机产生的，所以每个门锁安全密码也是不一样的，这极大地提高了门锁的安全性。本发明基于工艺偏差每个门锁芯片的PUF电路产生的ID都是独一无二的，也就是说不存在密钥相同的两个门锁；过比较两个个不同组合的环形振荡器的频率得出随机输出数字序列，随机输出数字序列作为RFID的秘钥(ID)。对于每个环形振荡器，都有工艺上的偏差，因此每个环形振荡器的频率都会有差别，再加上比较的随机性，所以得出一组独一无二的秘钥。且因为集成电路的制造工艺的变化在数学上是不可能再建立模型，因此它是无法复制或控制的，物理不可克隆函数单路本身也是不可克隆的，也就不存在密码的克隆问题，从而很好的保护了密码。
本发明PUF电路可以抵御探针攻击物理攻击，因为门锁所处环境暴露，容易受到各种物理攻击，当PUF电路没有接收到卡片发出的激励时，内部并不储存密钥信息，因此他人无法通过探针等读取芯片密钥，盗取内部信息，这就大大提高了门锁的安全性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁结构示意图；
图2为PUF电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，
包括RFID卡片(即开锁卡片)、门锁和数据库；
数据库设置在后台服务器上，当接收到RFID卡片对应的ID时，数据通过互联网与生产商的数据库中的数据进行比较；数据库用于储存每个RFID卡片对应的ID；门锁内芯片包括PUF电路，RFID卡片包括RFID模块，RFID模块用于产生激励，PUF电路接收激励后，产生对应秘钥，数据库则提供匹配源，与PUF电路产生的秘钥进行比较，实现认证，基于门锁密码认证模式进行开锁。
门锁内芯片基于PUF电路(物理不可克隆电路)，用户使用与门锁配套的RFID卡片进行开锁。任何没有卡片的人都无法通过其他手段获得密钥，打开门锁。
如图2所示，PUF电路包括输入激励单元、PUF实现单元和检测输出单元；
输入激励单元接收RFID卡片激励，包括8bit的线性反馈移位寄存器，线性反馈移位寄存器产生两组Nbit的激励分别为CB和CA，其中N为正偶数；
PUF实现单元实现激励响应，包括环形振荡器模块和双向计数器，环形振荡器模块基于成对的基本反相级模块和电流饥饿反相级模块组成环形电路；电流饥饿反相级模块的温度特性补偿振荡器由于温度变化产生的频率漂移；基于硬件复用技术，将反相级模块组成若干个环形振荡器；通过激励CB和激励CA对环形振荡器电路中多路选择器控制，得到第一频率ROA和第二频率ROB，由于工艺误差，第一频率ROA和第二频率ROB不相等；当第一频率ROA输入到双向计数器后，双向计数器设置为反向计数并且计数时间为T，双向计数器得到一组数值，所述数值为第一频率ROA与第二频率ROB的频率差值Δf；
PUF实现单元的响应位生成机制是通过比较不同二极管钳位型反相器的电压跳变点V；基于制造工艺的差别，每个反相器都有不同的电压跳变点V，所以每个PUF电路都存在唯一的激励响应。检测输出单元是包括三态检测器；Δf进入三态检测器，三态检测器设定门限值tthreshold，若频率差值Δf>+tthreshold,则三态检测器输出10；若Δf<-tthreshold,则三态检测器输出01；若-tthreshold<Δf<+tthreshold,则三态检测器输出00。00、10、01分别表示前述的三种不同的状态，由随机输出的00、10、00构成PUF的秘钥，当在振荡器越多，信息量也就越大，产生的秘钥也就越复杂。门限值tthreshold根据历史数据设定。
基于工艺偏差每个门锁芯片的PUF电路产生的ID都是独一无二的，也就是说不存在密钥相同的两个门锁；
通过比较两个个不同组合的环形振荡器的频率得出随机输出数字序列，随机输出数字序列作为RFID的秘钥(ID)。对于每个环形振荡器，都有工艺上的偏差，因此每个环形振荡器的频率都会有差别，再加上比较的随机性，所以得出一组独一无二的秘钥。且因为集成电路的制造工艺的变化在数学上是不可能再建立模型，因此它是无法复制或控制的，物理不可克隆函数单路本身也是不可克隆的，也就不存在密码的克隆问题，从而很好的保护了密码。
将PUF与RFID(射频)技术结合，形成基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，通过互联网匹配数据库判断由RFID卡片产生的激励是否能够开锁。门锁作为固定的PUF装置，内部含有PUF芯片，而RFID卡片则作为一个唯一的激励源，当使用卡片刷门锁是，PUF电路收到RFID卡片发出的激励，产生秘钥ID，同时后台服务器上的数据库存储有此密码锁对应的正确ID，当由RFID卡片所产生的秘钥与正确ID相同时，RFID卡片为合法卡，是打开门锁的“钥匙”，此时门锁打开，认证完成。
基于门锁密码认证模式进行开锁，具体包括以下步骤：
门锁内部PUF电路收到RFID卡片发出的激励，PUF电路产生秘钥ID，同时后台服务器上的数据库存储有所述门锁对应的正确ID，当由RFID卡片所产生的秘钥与正确ID相同时，RFID卡片为合法卡，是打开门锁的“钥匙”，门锁打开，认证完成。
本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，其特征在于：包括RFID卡片、门锁和数据库；
数据库设置在后台服务器上，当接收到RFID卡片对应的ID时，数据通过互联网与数据库中的数据进行比较；数据库用于储存每个RFID卡片对应的ID；门锁内芯片包括PUF电路，RFID卡片包括RFID模块，RFID模块用于产生激励，PUF电路接收到激励后，产生对应秘钥，数据库提供匹配源，与PUF电路产生的秘钥进行比较，实现认证，基于门锁密码认证模式进行开锁。
2.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，其特征在于：
PUF电路包括输入激励单元、PUF实现单元和检测输出单元；
输入激励单元接收RFID卡片激励，输入激励单元包括8bit的线性反馈移位寄存器，线性反馈移位寄存器产生两组Nbit的激励，分别为CB和CA，其中N为正偶数；
PUF实现单元实现激励响应，PUF实现单元包括环形振荡器模块和双向计数器，环形振荡器模块基于成对的基本反相级模块和电流饥饿反相级模块组成环形电路；电流饥饿反相级模块的温度特性补偿振荡器由于温度变化产生的频率漂移；基于硬件复用，将反相级模块组成若干个环形振荡器；通过激励CB和激励CA对环形振荡器电路中多路选择器控制，得到第一频率ROA和第二频率ROB，第一频率ROA和第二频率ROB不相等；当第一频率ROA输入到双向计数器后，双向计数器设置为反向计数并且计数时间为T，双向计数器得到一组数值，所述数值为第一频率ROA与第二频率ROB的频率差值Δf；
检测输出单元包括三态检测器；Δf进入三态检测器，三态检测器设定门限值tthreshold，若频率差值Δf>+tthreshold,则三态检测器输出10；若Δf<-tthreshold,则三态检测器输出01；若-tthreshold<Δf<+tthreshold,则三态检测器输出00。
3.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，其特征在于：
比较任意两个个不同组合的环形振荡器的频率得出随机输出数字序列，随机输出数字序列作为RFID的秘钥。
4.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，其特征在于：
基于门锁密码认证模式进行开锁，具体包括以下步骤：
S1，门锁内部PUF电路收到RFID卡片发出的激励，PUF电路产生秘钥ID，同时后台服务器上的数据库存储有所述门锁对应的正确ID，当由RFID卡片所产生的秘钥与正确ID相同时，RFID卡片为合法卡，是打开门锁的“钥匙”，门锁打开，认证完成。
5.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，其特征在于：
PUF实现单元的响应位生成机制是通过比较不同二极管钳位型反相器的电压跳变点V；基于制造工艺的差别，每个反相器都有不同的电压跳变点V，每个PUF电路都存在唯一的激励响应。
6.根据权利要2所述的一种基于物理不可克隆技术的RFID卡片式智能门锁，其特征在于：
门限值tthreshold根据历史数据设定。
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