CN113312589B - 基于多puf的meda生物芯片硬件版权保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，包括以下步骤：步骤S1:服务方在MEDA生物芯片上生成多PUF的激励响应对，组成一个激励响应对数据库，由服务方存储；步骤S2:用户使用MEDA生物芯片之前向所述服务方发出获取驱动序列的请求，服务方返回激励至所述芯片；步骤S3:MEDA生物芯片执行激励得到响应数据，并对响应数据进行混淆计算后反馈至服务方；步骤S4:服务方根据返回响应判断发出反馈的芯片版权是否合法；根据芯片的正版与否服务方返回片上开销不同的所述生化协议的驱动序列，并授予正版芯片后期免于重复验证的许可。本发明能够有效提高MEDA生物芯片的硬件版权保护可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及MEDA生物芯片版权保护领域，具体涉及一种基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法。
背景技术
数字微流控生物芯片(DMFBs)作为一个“片上实验室”系统，受到了国内外学者的广泛关注。作为一项有前景的技术，DMFBs具有改善生化实验和医疗保健过程的潜力。因为DMFBs的操作对象为微流体，且全程人工干预程度低，相对于传统的生化实验操作，在DMFBs上执行的生化和医疗实验能够缩短执行时间，减少样本开销以及提高实验精度和速度，减少人为造成的误差。正因如此，DMFBs能够被用于新生儿疾病诊断、免疫测定、环境污染检测等样本珍贵、精度要求高以及需要快速响应的实验中。
基于微电极点阵列(micro-electrode-dot-array,MEDA)结构的DMFBs(下称MEDA生物芯片)作为新一代DMFBs被范士冈教授的研究团队提出。MEDA生物芯片是基于微电极海洋的概念，其片上单个电极尺寸比传统DMFBs单个电极小20倍以上，单个芯片上的电极数量比传统DMFBs多10-30倍，而且芯片上单个电极集成了更多传感器实现实时检测。因此MEDA生物芯片能够实现更细粒度的操作以及实时错误恢复。
物理不可克隆函数(PUF)是一种很有前景的轻量级硬件安全原语，其利用芯片中固有的且难以克隆的制造差异，实现激励信号和响应信号唯一对应的功能，即“硬件指纹”。从理论上讲，没有两个相同的PUF设计的输出是完全相同的。因此，由于其具有良好的唯一性和不可预测性，且不需要额外的存储单元，PUF在信息安全领域具有天然的优势。
当前，由于经济全球化的发展和生物芯片应用的广泛，由版权所有者完成从设计到制造的所有步骤的生产方式已经无法满足生物芯片发展的需求。和其他现代化产业一样，引入将设计过程和制造过程分离的水平供应链是生物芯片的必经之路。然而，除了版权所有者外，水平供应链上的其他参与者都属于不可信角色。因为能够接触到芯片的设计图纸或者实体，这些参与者都存在窃取芯片版权的可能性。一旦盗版行为猖獗，除了设计企业会遭受巨大的财政打击，还会导致市场上的生物芯片质量良莠不齐，引发人们的信任问题，影响生物芯片的研发进程。PUF技术作为信息安全的中流砥柱，已经被成功应用于集成电路领域，并取得了优异的成果。因此，将PUF技术原理与MEDA生物芯片相版权保护结合是当下值得研究的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，有效提高对MEDA生物芯片的硬件版权保护可靠性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，包括以下步骤：
步骤S1:服务方在MEDA生物芯片上生成多PUF的激励响应对，组成一个激励响应对数据库，由服务方存储；
步骤S2:用户使用MEDA生物芯片之前向所述服务方发出获取驱动序列的请求，服务方返回激励至所述芯片；
步骤S3:MEDA生物芯片执行激励得到响应数据，并对响应数据进行混淆计算后反馈至服务方；
步骤S4:服务方根据返回响应判断发出反馈的芯片版权是否合法；根据芯片的正版与否服务方返回片上开销不同的所述生化协议的驱动序列，并授予正版芯片后期免于重复验证的许可。
进一步的，所述MEDA生物芯片包括从上之下依次设置的顶板、接地电极、上疏水层、硅油层、下疏水层、电极、屏蔽层、检测控制模块和底板；液滴设置于上疏水层、下疏水层之间的硅油层。
进一步的，所述步骤S1具体为：
1)服务方预先设计激励C，所述激励分为两个部分，包括时延激励CD和分裂激励CS，并将所述激励操作传输至MEDA生物芯片；
2)MEDA生物芯片根据接收的时延激励CD操纵液滴，所得结果为响应RD并传输至控制器，映射关系fD为：
fD：CD→RD
3)根据接收的分裂激励CS操纵液滴，所得结果为响应RS并传输至控制器，映射关系fS为：
fS：CS→RS
4)控制器收到响应RD和响应RS后，对响应RD和响应RS进行混淆操作生成响应R，并将响应R传输给服务方。
5)服务方将接收到的响应R作为所述激励C的标准响应RG存储在激励响应对数据库中。
进一步的，所述多PUF包括时延PUF和分裂PUF。
进一步的，所述时延PUF，具体为：通过比较两个大小相等的液滴经过两条对称的路径到达目的电极的先后顺序，判决输出响应“0”或“1”；
服务方预先设计n对液滴的移动路径；
液滴对(D0，D1)分别由分配口Import0和Import1分配，并且经过对称的路线，每条路线上存在q个观测点(q为偶数)；
由于液滴到达q个观测点时间不同，引入
表示第i对液滴经过所有观测点后的时延PUF响应，
中每一个元素
的计算公式如下：
其中，
表示第i对液滴在第m个观测点处的响应，
和
分别表示第i对由分配口Import0和Import1分配的液滴从初始位置到第m个观测点的用时。
进一步的，所述分裂PUF，具体为：将大液滴分裂得到多个小液滴，通过比较小液滴的体积大小判决输出响应“01”，“10”，“11”或“00”；
服务方预先设计n对液滴的分裂操作；
每个液滴被分裂为q个小液滴，按照分裂顺序对其编号，组成一个小液滴集合；
根据小液滴体积的差异，引入
表示第i对由分配口Importj(j∈{0，1})分配的液滴的分裂PUF响应，
中
的计算公式如下：
其中，
分别表示第i对由分配口Importj分配的第2u-1个和第2u个小液滴的体积，otherwise表示存在液滴缺失的情况。
进一步的，所述响应数据R计算，具体如下：
R＝(R1，R2，…，Rn)
其中，
为逐比特异或，⊙为模2q+1整数乘法，其输入、输出除q位全为0作为2q处理外，其余都作为q位无符号整数处理；
表示第i对液滴完成时延PUF的激励
后所得响应，
表示第i对由分配口Importj分配的液滴完成分裂PUF的激励
后所得的响应；
由
和
逐比特异或所得，Ri由
和
模2q+1整数相乘所得，R由Ri组成，表示最终返回服务方的响应结果。
进一步的，所述步骤S4具体为：
根据所述芯片反馈响应R和激励响应对数据库中的RG之间的汉明距离HD判断芯片是否为正品；
其中，HD表示芯片返回的响应R和激励响应对库中RG的差值；
设定一个合理的误判概率阈值p，length()表示计算序列长度的函数；
当HD＝0时，R和RG完全一致，所述芯片为正品，服务方返回所述生化协议的最优驱动序列，并且提供唯一的许可证信息至所述芯片，后续所述芯片向服务方发出请求时所述许可证信息可以作为身份验证；
当HD≠0时，所述芯片无法被判定为正品，在下一次请求时仍需重新执行步骤S2至步骤S4以进行身份验证操作；
若0＜HD≤length(R)×p，R与RG之间的差异小于阈值，所述芯片同时存在被误判和盗版的可能，服务方返回所述生化协议中等开销和耗时的驱动序列；
若HD＞length(R)×p，R与RG之间的差异超过阈值，所述芯片可被判定为盗版芯片，服务方返回所述生化协议的最大开销和耗时的驱动序列。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明有效提高对MEDA生物芯片的硬件版权保护可靠性。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明一实施例中时延PUF示意图；
图3是本发明一实施例中分裂PUF示意图；
图4是本发明一实施例中MEDA生物芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，包括以下步骤：
步骤S1:服务方在MEDA生物芯片上生成多PUF的激励响应对，组成一个激励响应对数据库，由服务方存储；
步骤S2:用户使用MEDA生物芯片之前向所述服务方发出获取驱动序列的请求，服务方返回激励至所述芯片；
步骤S3:MEDA生物芯片执行激励得到响应数据，并对响应数据进行混淆计算后反馈至服务方；
步骤S4:服务方根据返回响应判断发出反馈的芯片版权是否合法；根据芯片的正版与否服务方返回片上开销不同的所述生化协议的驱动序列，并授予正版芯片后期免于重复验证的许可。
参考图4，在本实施例中，MEDA生物芯片包括从上之下依次设置的顶板、接地电极、上疏水层、硅油层、下疏水层、电极、屏蔽层、检测控制模块和底板；液滴设置于上疏水层、下疏水层之间的硅油层。
在本实施例中，步骤S1具体为：
1)服务方预先设计激励C，所述激励分为两个部分，包括时延激励CD和分裂激励CS，并将所述激励操作传输至MEDA生物芯片；
2)MEDA生物芯片根据接收的时延激励CD操纵液滴，所得结果为响应RD并传输至控制器，映射关系fD为：
fD：CD→RD
3)根据接收的分裂激励CS操纵液滴，所得结果为响应RS并传输至控制器，映射关系fS为：
fS：CS→RS
4)控制器收到响应RD和响应RS后，对响应RD和响应RS进行混淆操作生成响应R，并将响应R传输给服务方。
5)服务方将接收到的响应R作为所述激励C的标准响应RG存储在激励响应对数据库中。
在本实施例中，多PUF包括时延PUF和分裂PUF。
优选的，时延PUF如图2所示：液滴对(D0，D1)分别由分配口Import0和Import1分配，并且经过对称的路线，每条路线上存在q个观测点(q为偶数)。由于液滴到达q个观测点时间不同，引入
表示第i对液滴经过所有观测点后的时延PUF响应，
中每一个元素
的计算公式如下：
其中，
表示第i对液滴在第m个观测点处的响应，
和
分别表示第i对由分配口Import0和Import1分配的液滴从初始位置到第m个观测点的用时。
优选的，分裂PUF，如图3所示：步骤S2结束后n对2×2液滴分别停留在各自对应的目标电极上。服务方预先设计n对液滴的分裂操作。每个液滴被分裂为q个小液滴，按照分裂顺序对其编号，组成一个小液滴集合。根据小液滴体积的差异，引入
表示第i对由分配口Importj(j∈{0，1})分配的液滴的分裂PUF响应，
中
的计算公式如下：
其中，
分别表示第i对由分配口Importj分配的第2u-1个和第2u个小液滴的体积，otherwise表示存在液滴缺失的情况。
在本实施例中，控制器收到响应
和响应
后对其进行混淆计算，最终生成响应R，并将响应R反馈至服务方。计算方式如下：
R＝(R1，R2，…，Rn
其中，
为逐比特异或，⊙为模2q+1整数乘法，其输入、输出除q位全为0作为2q处理外，其余都作为q位无符号整数处理。
表示第i对液滴完成时延PUF的激励
后所得响应，
表示第i对由分配口Importj分配的液滴完成分裂PUF的激励
后所得的响应。
由
和
逐比特异或所得，Ri由
和
模2q+1整数相乘所得，R由Ri组成，表示最终返回服务方的响应结果。
在本实施例中，步骤S4具体为：根据所述芯片反馈响应R和激励响应对数据库中的RG之间的汉明距离HD判断芯片是否为正品。HD表示芯片返回的响应R和激励响应对库中RG的差值。由于存在将正品芯片误判为盗版的可能性，因此设定一个合理的误判概率阈值p，length()表示计算序列长度的函数。
当HD＝0时，R和RG完全一致，所述芯片为正品，服务方返回所述生化协议的最优驱动序列，并且提供唯一的许可证信息至所述芯片，后续所述芯片向服务方发出请求时所述许可证信息可以作为身份验证；
当HD≠0时，所述芯片无法被判定为正品，在下一次请求时仍需重新执行步骤S2至步骤S4以进行身份验证操作；
若0＜HD≤length(R)×p，R与RG之间的差异小于阈值，所述芯片同时存在被误判和盗版的可能，服务方返回所述生化协议中等开销和耗时的驱动序列；
若HD＞length(R)×p，R与RG之间的差异超过阈值，所述芯片可被判定为盗版芯片，服务方返回所述生化协议的最大开销和耗时的驱动序列。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：服务方在MEDA生物芯片上生成多PUF的激励响应对，组成一个激励响应对数据库，由服务方存储；
所述多PUF包括时延PUF和分裂PUF；
所述步骤S1具体为：
1)服务方预先设计激励C，所述激励分为两个部分，包括时延激励CD和分裂激励CS，并将所述激励操作传输至MEDA生物芯片；
2)MEDA生物芯片根据接收的时延激励CD操纵液滴，所得结果为响应RD并传输至控制器，映射关系fD为：
fD：CD→RD
3)根据接收的分裂激励CS操纵液滴，所得结果为响应RS并传输至控制器，映射关系fS为：
fS：CS→RS
4)控制器收到响应RD和响应RS后，对响应RD和响应RS进行混淆操作生成响应R，并将响应R传输给服务方；
5)服务方将接收到的响应R作为所述激励C的标准响应RG存储在激励响应对数据库中；
步骤S2：用户使用MEDA生物芯片之前向所述服务方发出获取驱动序列的请求，服务方返回激励至所述芯片；
步骤S3：MEDA生物芯片执行激励得到响应数据，并对响应数据进行混淆计算后反馈至服务方；
步骤S4：服务方根据返回响应判断发出反馈的芯片版权是否合法；根据芯片的正版与否，服务方返回片上开销不同的生化协议的驱动序列，并授予正版芯片后期免于重复验证的许可；
所述步骤S4具体为：
根据所述芯片反馈响应R和激励响应对数据库中的RG之间的汉明距离HD判断芯片是否为正品；
其中，HD表示芯片返回的响应R和激励响应对库中RG的差值；
设定一个合理的误判概率阈值p，length()表示计算序列长度的函数；
当HD＝0时，R和RG完全一致，所述芯片为正品，服务方返回所述生化协议的最优驱动序列，并且提供唯一的许可证信息至所述芯片，后续所述芯片向服务方发出请求时所述许可证信息可以作为身份验证；
当HD≠0时，所述芯片无法被判定为正品，在下一次请求时仍需重新执行步骤S2至步骤S4以进行身份验证操作；
若0＜HD≤length(R)×p，R与RG之间的差异小于阈值，所述芯片同时存在被误判和盗版的可能，服务方返回所述生化协议中等开销和耗时的驱动序列；
若HD＞length(R)×p，R与RG之间的差异超过阈值，所述芯片可被判定为盗版芯片，服务方返回所述生化协议的最大开销和耗时的驱动序列。
2.根据权利要求1所述的基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，其特征在于，所述MEDA生物芯片包括从上之下依次设置的顶板、接地电极、上疏水层、硅油层、下疏水层、电极、屏蔽层、检测控制模块和底板；液滴设置于上疏水层、下疏水层之间的硅油层。
3.根据权利要求1所述的基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，其特征在于，所述时延PUF，具体为：通过比较两个大小相等的液滴经过两条对称的路径到达目的电极的先后顺序，判决输出响应“0”或“1”；
服务方预先设计n对液滴的移动路径；
液滴对(D0，D1)分别由分配口Import0和Import1分配，并且经过对称的路线，每条路线上存在q个观测点.q为偶数；
由于液滴到达q个观测点时间不同，引入
表示第i对液滴经过所有观测点后的时延PUF响应，
中每一个元素
的计算公式如下：
其中，
表示第i对液滴在第m个观测点处的响应，
和
分别表示第i对由分配口Import0和Import1分配的液滴从初始位置到第m个观测点的用时。
4.根据权利要求3所述的基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，其特征在于，所述分裂PUF，具体为：将大液滴分裂得到多个小液滴，通过比较小液滴的体积大小判决输出响应“01”，“10”，“11”或“00”；
服务方预先设计n对液滴的分裂操作；
每个液滴被分裂为q个小液滴，按照分裂顺序对其编号，组成一个小液滴集合；
根据小液滴体积的差异，引入
表示第i对由分配口Importj(j∈{0，1})分配的液滴的分裂PUF响应，
中
的计算公式如下：
其中，
分别表示第i对由分配口Importj分配的第2u-1个和第2u个小液滴的体积，otherwise表示存在液滴缺失的情况。
5.根据权利要求4所述的基于多PUF的MEDA生物芯片硬件版权保护方法，其特征在于，所述响应数据R计算，具体如下：
R＝(R1，R2，…，Rn)
其中，
为逐比特异或，⊙为模2q+1整数乘法，其输入、输出除q位全为0作为2q处理外，其余都作为q位无符号整数处理；
表示第i对液滴完成时延PUF的激励
后所得响应，
表示第i对由分配口Importj分配的液滴完成分裂PUF的激励
后所得的响应；
由
和
逐比特异或所得，Ri由
和
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Non-Patent Citations (1)
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| 龙静.面向集成电路IP的版权保护与认证技术研究.《万方数据学位论文库》.2020, * |
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| CN113312589A (zh) | 2021-08-27 |
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