CN113507362B - 基于四元组比较策略的ro puf密钥生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，通过构建环形振荡器序列，获取该环形振荡器序列振荡频率并进行存储；将环形振荡器序列划分为多个环形振荡器四元组，进行两两不重复配对，得到配对方式下的环形振荡器比较对，并计算比较对各振荡频率差间绝对值之和，选择最大值对应的比较对为最优配对方式，并将该比较对的位置信息与振荡频率信息存储到环形振荡器比较库；通过输入激励对环形振荡器比较库中环形振荡器比较对进行判决，生成密钥比特数，并组合为不同位长密钥；本发明解决了基于环形震荡器物理不可克隆函数生成中响应稳定性不好的问题，提供了一种抗扰动力更强、稳定性更高、更安全有效且复杂度低的密钥生成方法。

Description

基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法

技术领域

本发明涉及环形振荡器的密钥生成技术领域，具体涉及一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法。

背景技术

由于数字应用程序的安全性依赖于可信赖的硬件平台，因此采用现场可编程门阵列(FPGA)作为硬件实现技术的现场应用程序的要求面临着新的设计挑战。传统上，二进制密钥存储在可编程片上非易失性存储器(NVM)中，此方法容易受到攻击，因为密钥以电子形式永久存储。物理不可克隆函数(PUF)已被提出作为一种更安全的替代方法。密钥被存储在IC的固有物理特征中，从而带来了一些显着的安全优势。PUF利用电子设备固有的不可再现特性来保证密码系统的物理不可破性，而不是依赖某些特定的保护组件，这些组件可能很容易通过物理手段被入侵来保存密钥。

当前已有多种PUF结构，如环形振荡器(RO)PUF，仲裁器PUF，SRAM PUF，DRAM PUF和RS锁存器PUF。其中，RO PUF凭借其易实现性和高安全性成为FPGA实现的最佳选择。RO PUF是目前最实惠的密钥来源，因为它们不需要对称设计，可以很容易地在每种硬件技术上实现，甚至是在低端FPGA设备系列上，并受到了研究界的极大关注。RO PUF的典型工作流程包括以下步骤：制造变化提取、密钥选择生成、安全性和可靠性测试。

对于RO阵列，具有以下分布特性：

(1)RO阵列中相邻位置上的RO频率值较为接近。

(2)RO阵列中相邻位置上的RO均方差更相近，波动幅度近似相同。

(3)RO阵列中的频率值不是稳定不变的，根据外界情况的细微变化，频率值会产生不同幅度的波动。

对于当前RO PUF的密钥选择生成方式，存在以下问题：

(1)选择位置较远的2个RO构成比较对来生成响应，稳定性较强，但安全性较低，硬件开销较大；

(2)选择位置相邻的2个RO构成比较对来生成响应，安全性较高、硬件开销较小，但稳定性较低。

目前已提出的密钥选择生成方法虽然能产生比较对，但是大都选择与其相邻的单个位置的频率点组成一组固定的比较对，针对测量时产生的波动，其所生成的比较对稳定性不高。其次，因为组成比较对的方式单一，仅与两个频率值相关，因此在计算的时候，仅仅只能是两个RO进行频率比较，而没有提供其它的可选择的方式。目前，如何产生一种在安全性较高、硬件开销较小的情况下仍然保持稳定性较高的密钥提取方法还没有得到很好的研究。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，包括以下步骤：

S1、构建环形振荡器阵列，获取环形振荡器阵列中每个环形振荡器振荡频率并进行存储；

S2、将步骤S1构建的环形振荡器阵列划分为多个环形振荡器四元组；

S3、将步骤S2得到的环形振荡器四元组进行两两不重复配对，得到三组配对方式下的环形振荡器比较对；

S4、计算步骤S3得到的环形振荡器比较对的振荡频率差间绝对值之和，选择其最大值对应的比较对为最优环形振荡器比较对；

S5、将步骤S4中最优环形振荡器比较对中对应的振荡频率信息与位置信息存储到环形振荡器比较库；

S6、通过输入激励对步骤S5中环形振荡器比较库的环形振荡器比较对进行判决，得到判决后环形振荡器比较对对应的二进制序列输出响应，生成密钥比特数，并组合得到的不同位长密钥。

本方案具有以下有益效果：

本发明利用了频率差异的大小，并依据差异来确定最优方案，对产生密钥的环形振荡器比较对的位置进行标记，通过多次输入相同的激励，选择相应位置的环形振荡器比较对产生一串二进制序列，产生的多组响应序列完全一致，大大降低了误码率，提高了密钥稳定性，并利用环形振荡器阵列中相邻位置的频率值更接近的特性，选择2×2大小的四元组的形式来产生比较对，可供选择的位置更多，方法更加灵活多变，能更好的适应不同的情况，结合频率差值的绝对值之和的大小来选择配对的方式，可以选择出那些两两之间差值更大的比较对，得到更多更有效的配对，决了基于环形震荡器物理不可克隆函数生成的响应稳定性不好的问题，提供了一种抗扰动力更强、稳定性更高、更安全有效的密钥生成方法。

进一步地，所述步骤S1具体为：

在FPGA的CLB资源中实例化一个环形振荡器阵列，计算环形振荡器阵列中每个环形振荡器进行多次测量的振荡频率均值，并存储到上位机。

该进一步方案具有以下有益效果：

本发明对每个RO的频率进行多次测量，并取其均值，能够有效减缓噪声对单次测量的干扰，保证频率数据的可靠性。

进一步地，所述步骤S2具体为：

以步骤S1得到的环形振荡器阵列的左上角为起点，按照从左到右，从上往下的顺序滑动，遍历整个环形振荡器阵列，将环形振荡器阵列划分为多个2×2大小且紧密相连的环形振荡器四元组。

该进一步方案具有以下有益效果：

本发明选择2×2大小的四元组的形式来产生环形振荡器比较对，通过提出三种不同的配对方式，针对不同的四元组的不同情况，根据规则自由选择确定所采用的配对方式，方法更加灵活多变，能更好的适应不同的情况。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、分别计算步骤S3得到的环形振荡器比较对的振荡频率差间绝对值之和；

S42、选取步骤S41中最大的振荡频率差值绝对值之和所对应的环形振荡器比较对，作为最优配对方式下的环形振荡器比较对。

该进一步方案具有以下有益效果：

本发明采用了根据频率差值的绝对值之和的大小来选择配对的方式，可以选择出那些两两之间差值更大的比较对，对于外在环境造成的频率波动具备更强的抗扰动能力。

进一步地，所述步骤S41中环形振荡器比较对间振荡频率差值的绝对值之和的计算公式，表示为：

sum₁＝abs(f_a-f_b)+abs(f_c-f_d)

sum₂＝abs(f_a-f_c)+abs(f_b-f_d)

sum₃＝abs(f_a-f_d)+abs(f_b-f_c)

其中，sum₁、sum₂、sum₃分别为三种配对方式下环形振荡器比较对间振荡频率差值的绝对值之和，f_a、f_b、f_c以及f_d分别为环形振荡器四元组中四个环形振荡器的振荡频率，abs(.)为绝对值函数。

该进一步方案具有以下有益效果：

利用该公式计算振荡频率差值的绝对值之和，为选择最优配对方式下的环形振荡器比较对提供数据支撑。

进一步地，所述步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、输入与步骤S5中环形振荡器比较对个数相同比特的激励，对环形振荡器比较对库中的比较对进行判别，得到判决后环形振荡器比较对对应的二进制序列输出响应，生成密钥比特数；

S62、根据步骤S61中生成的密钥比特数组合为不同位长的密钥，并将密钥存储到密钥库中。

该进一步方案具有以下有益效果：

本发明多次输入相同的激励，选择相应位置的环形振荡器比较对产生一串二进制序列，生成密钥，产生的多组响应序列完全一致，大大降低了误码率。

进一步地，所述步骤S61中生成密钥比特数具体为：

利用比较器获取步骤S61中判决后环形振荡器比较对中各环形振荡器的振荡次数大小，并判断前一个环形振荡器的计数值是否大于等于后一个环形振荡器的计数值，若是，则环形振荡器比较对的密钥比特数输出为1，否则输出为0，表示为：

其中，a，b分别为环形振荡器比较对中两个环形振荡器，f_a、f_b为分别为环形振荡器a，b的振荡频率。

该进一步方案具有以下有益效果：

定义密钥比特数输出，通过输入激励进行判决，生成二进制序列输出响应，得到抗扰动力强、稳定性高的密钥比特数。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法的逻辑示意图；

图2为本发明提供的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法的步骤流程图；

图3为本发明中环形振荡器RO阵列中所选择的环形振荡器四元组；

图4为本发明中步骤S4的分步骤流程图；

图5为本发明中步骤S6的分步骤流程图；

图6为本发明中一实施例实验数据图，其中图6(a)为A区域，图6(b)为B区域，图6(c)为C区域。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，包括以下步骤S1-步骤S6：

S1、构建环形振荡器阵列，获取环形振荡器阵列中每个环形振荡器振荡频率并进行存储；

本实施例中，步骤S1具体为：

在FPGA的CLB资源中实例化一个环形振荡器阵列，计算环形振荡器阵列中每个环形振荡器进行多次测量的振荡频率均值，并存储到上位机。

实际中，在FPGA中CLB资源中实例化一个n×m的环形振荡器RO阵列，其中n、m均为偶数，对每个环形振荡器RO进行多次测量，例如10次测量计算振荡频率平均值，并将得到的统计平均值存储到上位机。

S2、将步骤S1构建的环形振荡器阵列划分为多个环形振荡器四元组；

本实施例中，步骤S2具体为：

以步骤S1得到的环形振荡器阵列的左上角为起点，按照从左到右，从上往下的顺序滑动，遍历整个环形振荡器阵列，将环形振荡器阵列划分为多个2×2大小且紧密相连的环形振荡器四元组。

实际中，如图3所示，在获取的RO阵列中，紧密相邻的2×2个环形振荡器RO组成一个四元组，并不断按照从左到右，从上往下的顺序滑动，遍历整个环形振荡器RO阵列，得到多组不同的环形振荡器四元组，且每个环形振荡器RO仅属于一个环形振荡器四元组，得到

个不同的环形振荡器四元组。

S3、将步骤S2得到的环形振荡器四元组进行两两不重复配对，得到三组配对方式下的环形振荡器比较对；

实际中，对每个环形振荡器四元组中的4个环形振荡器RO进行两两不重复配对，如图3所示，对于一个环形振荡器四元组而言，一共存在以下三种配对方式：1)ROa和ROb、ROc和ROd；2)ROa和ROc、ROb和ROd；3)ROa和ROd、ROb和Roc；对于每个环形振荡器四元组可分为两个环形振荡器比较对。

S4、计算步骤S3得到的环形振荡器比较对的振荡频率差间绝对值之和，选择其最大值对应的比较对为最优环形振荡器比较对；

如图4所示，本实施例中，步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、分别计算步骤S3得到的环形振荡器比较对的振荡频率差间绝对值之和，表示为：

sum₁＝abs(f_a-f_b)+abs(f_c-f_d)

sum₂＝abs(f_a-f_c)+abs(f_b-f_d)

sum₃＝abs(f_a-f_d)+abs(f_b-f_c)

其中，sum₁、sum₂、sum₃分别为三种配对方式下环形振荡器比较对间振荡频率差值的绝对值之和，f_a、f_b、f_c以及f_d分别为环形振荡器四元组中四个环形振荡器的振荡频率，abs(.)为绝对值函数；

实际中，通过比较每个环形振荡器四元组的每种配对方式中两个环形振荡器比较对间的振荡频率差间绝对值，确定配对方式，如图3所示，以ROa和ROb、ROc和ROd这两种情况为例，利用sum计算振荡频率差间绝对值，表示为：sum₁＝abs(f_a-f_b)+abs(f_c-f_d)，分别计算得到两种配对方式中sum₂，sum₃。

S42、选取步骤S41中最大的振荡频率差值绝对值之和所对应的环形振荡器比较对，作为最优配对方式下的环形振荡器比较对。

实际中，通过对得到的sum₁、sum₂、sum₃进行排序，表示为：sum＝max(sum₁，sum₂，sum₃)，选择骤S41中最大的振荡频率差值绝对值之和所对应的环形振荡器比较对，作为最优配对方式下的环形振荡器比较对。

S5、将步骤S4中最优配对方式下环形振荡器比较对中比较对的振荡频率信息与位置信息存储到环形振荡器比较库；

实际中，环形振荡器阵列中的

个环形振荡器四元组可以得到

个固定位置的环形振荡器比较对，以一个环形振荡器四元组为单位，将每个环形振荡器四元组中的两个环形振荡器比较对的振荡频率信息与位置信息存储到环形振荡器比较对库中。

S6、通过输入激励对步骤S5中环形振荡器比较库的环形振荡器比较对进行判决，得到判决后环形振荡器比较对对应的二进制序列输出响应，生成密钥比特数，并组合得到的不同位长密钥。

如图5所示，本实施例中，步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、输入与步骤S5中环形振荡器比较对个数相同比特的激励，对环形振荡器比较对库中的比较对进行判别，得到判决后环形振荡器比较对对应的二进制序列输出响应，生成密钥比特数；

实际中，采用激励输入的方法，对RO比较库中的比较对进行选择，例如对四元组输入1，则选择该四元组中包含ROa的一个比较对，输入0则选择该四元组中不包含ROa的一个比较对。

S62、根据步骤S61中生成的密钥比特数组合为不同位长的密钥，并将密钥存储到密钥库中。

实际中，被选择的环形振荡器比较对开始工作，利用计数器获取被选择环形振荡器比较对中环形振荡器RO在同一时间中的震荡次数，并将计数器获取的振荡次数输入比较器，进行大小比较，以环形振荡器比较对：ROa和ROb为例，如果ROa的计数值大于等于ROb的计数值，则比较器的结果输出1，否则输出为0。

本实施例中，步骤S61中生成密钥比特数具体为：

利用比较器获取步骤S61中判决后环形振荡器比较对中各环形振荡器的振荡次数大小，并判断前一个环形振荡器的计数值是否大于等于后一个环形振荡器的计数值，若是，则环形振荡器比较对的密钥比特数输出为1，否则输出为0，表示为：

其中，a，b分别为环形振荡器比较对中两个环形振荡器，f_a、f_b为分别为环形振荡器a，b的振荡频率。

实际中，若sum＝sum₁，则确定该四元组下的最优方案为ROa和ROb、ROc和Rod，那么由ROa和ROb、ROc和ROd两个比较对所产生的单比特情况分别如

和

所示；若sum＝sum₂，则确定该四元组下的最优方案为ROa和ROc、ROb和ROd，那么由ROa和ROc、ROb和ROd两个比较对所产生的单比特情况分别如

和

所示；同理若sum＝sum₃，则确定该四元组下的最优方案为ROa和ROd、ROb和ROc，那么由ROa和ROd、ROb和ROc两个比较对所产生的单比特情况分别如

和

所示。

实际中，输入与环形振荡器阵列中环形振荡器四元组个数数值相同的激励，即为

比特，得到输出

比特的响应，并将固定长度的相应结果以二进制序列输出，即为密钥，存储到密钥库中。

本发明中，以典型的FPGA板Xilinx Artix7 XC7A100T为实验芯片，随机选择FPGA板的3个区域32×8阵列大小的环形振荡器RO进行10次重复实验，获得环形振荡器RO每阵列单元的频率数据，如图6所示，通过物理不可克隆函数PUF的重要性能之一的稳定性(Steadiness)对该三区域中的稳定性进行分析，当稳定性越接近100％，说明PUF的稳定性越好，其中稳定性公式定义为：

其中，Steadiness为稳定性；M为响应生成总的次数；N为每个响应中总的比特数；HD(.)为两个激励响应(N位比特数)之间的汉明距离，公式定义为：

这里

表示异或运算；R_i和R_j为在相同的环境温度和供电电压条件下，施加相同激励对某一物理不可克隆函数PUF芯片在第i次和第j次生成的响应；

根据得到的三区域中32×8阵列大小的环形振荡器RO的实验结果进行稳定性效能评估，如表1可知，与当前主流的、高稳定性的环形振荡器RO密钥生成策略-解耦链式相邻比较策略相比，四元组比较策略生成的密钥具有更高的稳定性。

表1两种比较策略的稳定性(％)对比

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建环形振荡器 RO阵列，获取RO阵列中每个RO振荡频率并进行存储；

S2、将步骤S1构建的RO阵列划分为多个RO四元组；

S3、将步骤S2得到的RO四元组中四个RO进行两两不重复配对，得到三组配对方式下的RO比较对；

S4、计算步骤S3得到的RO比较对的振荡频率差间绝对值之和，选择其最大值对应的比较对为最优RO比较对；

S5、将步骤S4中最优RO比较对中对应的振荡频率信息与位置信息存储到RO比较库；

S6、通过输入激励对步骤S5中RO比较库的RO比较对进行判决，得到判决后RO比较对对应的二进制序列输出响应，生成密钥比特数，并组合为不同位长密钥。

2.根据权利要求1所述的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

在FPGA的CLB资源中实例化一个RO阵列，计算RO阵列中每个RO进行多次测量的振荡频率均值，并存储到上位机。

3.根据权利要求1所述的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

以步骤S1得到的RO阵列的左上角为起点，按照从左到右，从上往下的顺序滑动，遍历整个RO阵列，将RO阵列划分为多个2×2大小且紧密相连的RO四元组。

4.据权利要求1所述的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、分别计算步骤S3得到的RO比较对的振荡频率差间绝对值之和；

S42、选取步骤S41中最大的振荡频率差值绝对值之和所对应的RO比较对，作为最优配对方式下的RO比较对。

5.根据权利要求4所述的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，其特征在于，所述步骤S41中RO比较对间振荡频率差值的绝对值之和的计算公式，表示为：

sum₁＝abs(f_a-f_b)+abs(f_c-f_d)

sum₂＝abs(f_a-f_c)+abs(f_b-f_d)

sum₃＝abs(f_a-f_d)+abs(f_b-f_c)

其中，sum₁、sum₂、sum₃分别为三种配对方式下RO比较对间振荡频率差值的绝对值之和，f_a、f_b、f_c以及f_d分别为RO四元组中四个RO的振荡频率，abs(.)为绝对值函数。

6.根据权利要求1所述的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、输入与步骤S5中RO比较对个数相同比特的激励，对RO比较对库中的比较对进行比较判决，得到判决后RO比较对对应的二进制序列输出响应，生成密钥比特数；

S62、根据步骤S61中生成的密钥比特数组合为不同位长的密钥，并将密钥存储到密钥库中。

7.根据权利要求6所述的一种基于四元组比较策略的RO PUF密钥生成方法，其特征在于，所述步骤S61中生成密钥比特数具体为：

利用比较器获取步骤S61中判决后RO比较对中各RO的振荡频率大小，并判断前一个RO的振荡频率是否大于等于后一个RO的振荡频率，若是，则RO比较对的密钥比特数输出为1，否则输出为0，表示为：

其中，a，b分别为RO比较对中两个RO，f_a、f_b为分别为a，b的振荡频率。

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