CN115277029A - 基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统 - Google Patents

基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统，属于芯片信息加密、解密领域。该方法包括：基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值；根据所述PUF值生成初始密钥；在总线的两端分别增加加密函数以及解密函数，对芯片数据进行加密解密；所述加密函数以及所述解密函数均以所述初始密钥作为保密密钥，当所述芯片数据输入所述总线时，利用所述初始密钥加密，当所述芯片数据输出总线时，利用所述初始密钥解密。本发明能够避免芯片信息泄露。

Description

基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统
技术领域
本发明涉及芯片信息加密、解密领域，特别是涉及基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统。
背景技术
物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function，PUF）指利用集成电路芯片在制造过程中的随机工艺偏差导致芯片间的器件尺寸或电特性产生差异，利用读出电路将该种随机特性采样后得到唯一和不可克隆的数据。
PUF电路来源于模拟电路结构的工艺随机偏差，由于每个电路的工艺偏差均有差异，该差异完全随机，所以PUF电路具有唯一性，不可能被克隆。PUF值是由PUF电路在上电时输出，该值不存在于非易失性存储器例如EEPROM或FLASH中，具有下电即丢、无法读出的特性，大大提高了PUF值的不可克隆特性。PUF电路及PUF值的不可克隆特性决定了芯片的不可复制克隆防护能力，能够从技术上而不是从管理上解决复制-克隆攻击。同时PUF值也能够作总线传输、存储加密的密钥来使用，由于该密钥对产品和用户均不可见，因此避免了密钥生成泄露、传输泄露、存储泄露等问题，能够从技术上而非管理上解决芯片密钥窃取攻击。
由于PUF值的电路绑定特性和唯一性，可以作为一个内部密钥来使用。PUF值作为密钥不需要生成、注入、保存等管理过程，避免了管理因素导致的密钥泄露；PUF值上电生成/下电失效的特征，不需要保存，避免了存储窃取的风险，同时具有类似会话密钥的应用特性。这些特性使得PUF值可作为总线加密和存储加密密钥来使用。
现有技术的稳定性不够高，对于同一枚密码芯片读取的PUF数据偏差范围较大，读取值不够稳定。现有PUF技术对于同款芯片的读取数据的随机性不够好，存在通过同款芯片推测出其他芯片的PUF值的可能性，导致芯片信息泄露。
发明内容
本发明的目的是提供基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统，以解决芯片信息容易泄露的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法，包括：
基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值；
根据所述PUF值生成初始密钥；
在总线的两端分别增加加密函数以及解密函数，对芯片数据进行加密解密；所述加密函数以及所述解密函数均以所述初始密钥作为保密密钥，当所述芯片数据输入所述总线时，利用所述初始密钥加密，当所述芯片数据输出总线时，利用所述初始密钥解密。
可选的，所述基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值，具体包括：
向一对相同的环形振荡器输入同样频率的波形数据；
基于所述环形振荡器在加工过程中的偏差，根据所述波形数据生成一对所述环形振荡器的特征频率差值；
根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值。
可选的，所述根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值，具体包括：
对每个所述特征频率差值的长度规范化处理，生成规范化处理后的特征频率差值；
累加多个所述规范化处理后的特征频率差值，生成PUF值。
可选的，所述根据所述PUF值生成初始密钥，具体包括：
将所述PUF值进行哈希SM3算法运算，生成256比特杂凑值；
选择所述256比特杂凑值的低128比特作为SM4密码算法的初始密钥。
一种基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统，包括：
PUF值生成模块，用于基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值；
初始密钥生成模块，用于根据所述PUF值生成初始密钥；
加密及解密模块，用于在总线的两端分别增加加密函数以及解密函数，对芯片数据进行加密解密；所述加密函数以及所述解密函数均以所述初始密钥作为保密密钥，当所述芯片数据输入所述总线时，利用所述初始密钥加密，当所述芯片数据输出总线时，利用所述初始密钥解密。
可选的，所述PUF值生成模块，具体包括：
波形数据输入单元，用于向一对相同的环形振荡器输入同样频率的波形数据；
特征频率差值生成单元，用于基于所述环形振荡器在加工过程中的偏差，根据所述波形数据生成一对所述环形振荡器的特征频率差值；
PUF值生成单元，用于根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值。
可选的，所述PUF值生成单元，具体包括：
规范化处理子单元，用于对每个所述特征频率差值的长度规范化处理，生成规范化处理后的特征频率差值；
PUF值生成子单元，用于累加多个所述规范化处理后的特征频率差值，生成PUF值。
可选的，所述初始密钥生成模块，具体包括：
哈希SM3算法运算单元，用于将所述PUF值进行哈希SM3算法运算，生成256比特杂凑值；
初始密钥生成单元，用于选择所述256比特杂凑值的低128比特作为SM4密码算法的初始密钥。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统，基于相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的环形振荡器的特征频率差值生成PUF值，基于该PUF值生成初始密钥，并将初始密钥作为加密函数以及揭秘函数的保密密钥，对芯片数据进行加密解密，即使通过同款芯片推测出PUF值，也无法得道芯片信息，从而避免了芯片信息泄露的危险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法流程图；
图2为本发明所设计的环形振荡器示意图；
图3为本发明所提供的生成PUF值过程的结构示意图；
图4为本发明所提供的总线加密解密方案流程示意图；
图5为本发明所提供的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法及系统，能够避免芯片信息泄露。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法流程图，如图1所示，一种基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法，包括：
步骤101：基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值。
步骤102：根据所述PUF值生成初始密钥。
步骤103：在总线的两端分别增加加密函数以及解密函数，对芯片数据进行加密解密；所述加密函数以及所述解密函数均以所述初始密钥作为保密密钥，当所述芯片数据输入所述总线时，利用所述初始密钥加密，当所述芯片数据输出总线时，利用所述初始密钥解密。
在实际应用中，所述步骤101，具体包括：向一对相同的环形振荡器输入同样频率的波形数据；基于所述环形振荡器在加工过程中的偏差，根据所述波形数据生成一对所述环形振荡器的特征频率差值；根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值。
图2为本发明所设计的环形振荡器示意图，如图2所示，每个环形振荡器（RingOSCillator，RO）中包含3-6级可配置延时单元（图2中d0-d3）以及3-7级不可配置延时单元（图2中d4-d10），每个可配置延时单元di包含两个延时子单元di,0和di,1（i为0，1，2，3），通过选择不同的可配置延时单元可以选择不同的延时通路，不可配置延时单元则是用来调节延时链的长度；图2中，EN为使能信号；CLK为时钟信号；DSEL0、DSEL1、DSEL2以及DSEL3为通道选择信号；DNUM[2:0]为离散的数据信号。
不同延时单元的数量可以进行配置，通过配置不同的方案，加强和提高生成的PUF值的随机性。
在实际应用中，所述根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值，具体包括：对每个所述特征频率差值的长度规范化处理，生成规范化处理后的特征频率差值；累加多个所述规范化处理后的特征频率差值，生成PUF值。
采用一对环形振荡器，由于单个环形振荡器对的设计是完全一致的，但是加工过程中存在工艺偏差，利用加工过程中的工艺偏差随机性，可以获得振荡器对的特征频率差值。具体过程为：
1）采用一对环形振荡器。
2）外界向两个环形振荡器输入同样频率的波形数据。
3）比较两个环形振荡器的特征频率差值。
4）利用多个特征频率差值生成PUF值。图3为本发明所提供的生成PUF值过程的结构示意图，如图3所示，由模拟PUF源部分和数字重构部分组成。模拟PUF源部分包括多个步骤101所示的环形振荡器对，每个环形振荡器对产生特征频率差值；图3中，ROj为环形振荡器，j为0，1，2，3...126，127；rq为环形振荡器输出信号；q为0，1，2，3...2n，2n+1；n为自然数；diffn为环形振荡器频率差值信号；（C’0，HADn）为纠错电路相应数据通道值，以保证PUF算法稳定性；R为输出结果。
数字重构部分包括数字后处理和相应的纠错电路。
数字重构逻辑电路利用多个RO PUF对的特征频率差值，将其数据长度规范化后进行累加，产生稳定的数字逻辑输出。
在实际应用中，所述步骤102，具体包括：将所述PUF值进行哈希SM3算法运算，生成256比特杂凑值；选择所述256比特杂凑值的低128比特作为SM4密码算法的初始密钥。
图4为本发明所提供的总线加密解密方案流程示意图，如图4所示，在总线两端增加加密和解密函数；采用过程二产生的初始密钥MK作为保密密钥，芯片数据输入总线时被PUF值加密，芯片数据输出时被PUF值解密。
RO PUF电路稳定输出值具有随机性和物理不可克隆属性，因此可将其应用到SM4密钥扩展算法当中，以增强SM4算法密钥的安全性。在总线两端增加加密和解密函数，这两个函数均以增强的PUF值（初始密钥MK）作为保密密钥。芯片数据输入总线时被初始密钥加密，芯片数据输出时被初始密钥解密。
图5为本发明所提供的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统结构图，如图5所示，一种基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统，包括：
PUF值生成模块501，用于基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值。
在实际应用中，所述PUF值生成模块501，具体包括：波形数据输入单元，用于向一对相同的环形振荡器输入同样频率的波形数据；特征频率差值生成单元，用于基于所述环形振荡器在加工过程中的偏差，根据所述波形数据生成一对所述环形振荡器的特征频率差值；PUF值生成单元，用于根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值。
所述PUF值生成单元，具体包括：规范化处理子单元，用于对每个所述特征频率差值的长度规范化处理，生成规范化处理后的特征频率差值；PUF值生成子单元，用于累加多个所述规范化处理后的特征频率差值，生成PUF值。
初始密钥生成模块502，用于根据所述PUF值生成初始密钥。
在实际应用中，所述初始密钥生成模块502，具体包括：哈希SM3算法运算单元，用于将所述PUF值进行哈希SM3算法运算，生成256比特杂凑值；初始密钥生成单元，用于选择所述256比特杂凑值的低128比特作为SM4密码算法的初始密钥。
加密及解密模块503，用于在总线的两端分别增加加密函数以及解密函数，对芯片数据进行加密解密；所述加密函数以及所述解密函数均以所述初始密钥作为保密密钥，当所述芯片数据输入所述总线时，利用所述初始密钥加密，当所述芯片数据输出总线时，利用所述初始密钥解密。
PUF方案的关键难点在于PUF的稳定性，随机性和抗老化特性。
1）PUF的稳定性指的是每次读出同一枚密码芯片的PUF数据的偏差要足够小，配合处理算法的纠错功能，可以实现同一芯片的读出值始终相同，以保证PUF数据可以稳定地应用于存储加密等安全功能。
2）PUF的随机性是指不同密码芯片间的PUF读出数据是符合随机分布的。这是PUF技术安全性的来源，基于大量芯片的统计其随机性越好，说明PUF随工艺偏差的方差越大，某一芯片的PUF数据读出值越无法通过同款其他芯片的PUF值进行推测和预测。基于这一特性，可以保证PUF应用于密码芯片的安全功能，如存储加密密钥，不同芯片的密钥值存在差异，且此差异符合随机性分布。
3）PUF的抗老化特性指密码芯片工作较长时间后，PUF的读出值依然稳定在纠错算法的纠错能力以内。由于PUF基于工艺偏差，在芯片长期工作后，芯片内部的物理结构和特性会发生老化，如金属线的老化、PN结的老化等，从而使PUF的读出值发生改变。老化特性实际是PUF稳定性的一种特殊情况，是在长时间工作后PUF的稳定性的体现。PUF的抗老化特性决定了芯片的使用寿命。
本发明基于环形振荡器的PUF设计芯片总线的密钥，与基于SRAM的PUF原理、基于VIA物理设计尺寸违反的PUF、基于路径延迟的PUF的比较如表1所示。
表1 不同PUF方案的比较表
类别 原理 技术特点
SRAM PUF 基于SRAM上电初值的随机特性 通常采用专用SRAM，需要纠错算法配合
ArbiterPUF 基于路经延时随机分布特性 采用路经延时模拟电路，配合后处理电路实现，需要纠错算法配合
VIA PUF 基于VIA物理设计规则违反从而导致最终物理实现的不确定性，使通孔VIA最终物理实现出现随机的通断 工艺依赖性很强，但设计参数确定后可以达到很稳定的工作状态，只需要简单纠错，甚至完全不需要纠错算法配合
RO PUF 基于环形振荡器延时随机分布特性 采用环形振荡器对在实际实现中的频率差值随机性作为芯片唯一性数据
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个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。

Claims (8)

1.一种基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法，其特征在于，包括：
基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值；
根据所述PUF值生成初始密钥；
在总线的两端分别增加加密函数以及解密函数，对芯片数据进行加密解密；所述加密函数以及所述解密函数均以所述初始密钥作为保密密钥，当所述芯片数据输入所述总线时，利用所述初始密钥加密，当所述芯片数据输出总线时，利用所述初始密钥解密。
2.根据权利要求1所述的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法，其特征在于，所述基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值，具体包括：
向一对相同的环形振荡器输入同样频率的波形数据；
基于所述环形振荡器在加工过程中的偏差，根据所述波形数据生成一对所述环形振荡器的特征频率差值；
根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值。
3.根据权利要求2所述的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法，其特征在于，所述根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值，具体包括：
对每个所述特征频率差值的长度规范化处理，生成规范化处理后的特征频率差值；
累加多个所述规范化处理后的特征频率差值，生成PUF值。
4.根据权利要求1所述的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证方法，其特征在于，所述根据所述PUF值生成初始密钥，具体包括：
将所述PUF值进行哈希SM3算法运算，生成256比特杂凑值；
选择所述256比特杂凑值的低128比特作为SM4密码算法的初始密钥。
5.一种基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统，其特征在于，包括：
PUF值生成模块，用于基于一对相同的环形振荡器在加工过程中的偏差，根据多对相同的所述环形振荡器的特征频率差值生成PUF值；
初始密钥生成模块，用于根据所述PUF值生成初始密钥；
加密及解密模块，用于在总线的两端分别增加加密函数以及解密函数，对芯片数据进行加密解密；所述加密函数以及所述解密函数均以所述初始密钥作为保密密钥，当所述芯片数据输入所述总线时，利用所述初始密钥加密，当所述芯片数据输出总线时，利用所述初始密钥解密。
6.根据权利要求5所述的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统，其特征在于，所述PUF值生成模块，具体包括：
波形数据输入单元，用于向一对相同的环形振荡器输入同样频率的波形数据；
特征频率差值生成单元，用于基于所述环形振荡器在加工过程中的偏差，根据所述波形数据生成一对所述环形振荡器的特征频率差值；
PUF值生成单元，用于根据多对所述环形振荡器的多个所述特征频率差值生成PUF值。
7.根据权利要求6所述的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统，其特征在于，所述PUF值生成单元，具体包括：
规范化处理子单元，用于对每个所述特征频率差值的长度规范化处理，生成规范化处理后的特征频率差值；
PUF值生成子单元，用于累加多个所述规范化处理后的特征频率差值，生成PUF值。
8.根据权利要求5所述的基于物理不可克隆函数的芯片信息的加密认证系统，其特征在于，所述初始密钥生成模块，具体包括：
哈希SM3算法运算单元，用于将所述PUF值进行哈希SM3算法运算，生成256比特杂凑值；
初始密钥生成单元，用于选择所述256比特杂凑值的低128比特作为SM4密码算法的初始密钥。
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