CN117478327B - 一种基于puf的冯诺依曼密钥生成器去偏算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数字集成电路设计及安全防伪技术领域，公开了一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，包括两个阶段，分别为密钥注册阶段和密钥恢复阶段;本发明通过PUF生成原始响应X，原始响应X每连续四位视为一个四元组，通过冯诺依曼算法对四元组数据进行对比，根据对比结果及辅助数据相或计算后选择将对应原始数据直接存入或根据不同情况进行异或计算，筛选丢弃原始响应中1111和0000两种极端情况，最终本技术中PUF所生成的响应Y中数据“1”所占的比例几乎为50%，极大的增强了PUF响应的偏置特性，对比于经典冯诺依曼去偏算法的响应利用率的25%，本技术将响应利用率提升到了87%，极大得增加了PUF响应的利用率。

Description

一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法
技术领域
本发明涉及数字集成电路设计及安全防伪技术领域，具体为一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法。
背景技术
物理不可克隆函数是一种新的硬件安全原语其依赖于芯片制造过程中产生的不可避免的工艺参数的偏差实现激励和响应信号唯一对应在集成电路（IC）上实现的物理不可克隆功能（PUF）可用作数字系统的硬件信任根，它们通常需要一个纠错机制（例如基于代码偏移方法）来将不稳定的PUF响应生成稳定且随机的密钥。
然而，当所使用的PUF不具有全熵，也就是偏置特性不足时，纠错时产生的辅助数据会发生熵泄漏，如果PUF的熵级别过低，攻击者可能会通过公开可用的辅助数据对PUF派生的密钥进行攻击，目前通常采用冯诺依曼等经典去偏算法对PUF输出进行去偏，但是PUF的响应利用率太低，故而提出一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法来解决上述问题。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，相对于经典冯诺依曼算法，本发明提高了响应X的利用率，解决了经典的基于代码偏移的密钥生成器只能处理有限数量的PUF偏置的问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，包括两个阶段，分别为密钥注册阶段和密钥恢复阶段；
密钥注册阶段包括以下步骤：
S1：由PUF生成原始响应X，通过冯诺依曼算法去偏最终输出无偏响应Y，同时产生去偏辅助数据H；同时由随机数生成器生成随机字符串S，通过编码器生成码字C，随机字符串S使用KDF函数导出密钥K；
S2：码字C和无偏响应Y进行异或得到辅助数据W，辅助数据W与去偏置辅助数据H一起传输到恢复阶段；密钥恢复阶段包括以下步骤：
S3：由PUF输出受噪音影响后的响应X'，响应X'通过去偏置辅助数据H恢复出无偏响应Y'；
S4：无偏响应Y'和辅助数据W的逆运算得到噪音码字C',将噪音码字C'经过解码器解产生随机字符串S'，最终通过KDF函数导出密钥K'。
优选的，所述S1包括以下步骤：
S1.1：由PUF生成原始响应X，将原始响应X的每四位字符作为一个四元组，四元组内字符记为（A1、A2、B1、B2）；
S1.2：将原始响应X四元组内字符A1、A2、B1、B2进行对比输出,获得辅助数据D0的第一位字符Q1和第二位字符Q2；
S1.3：将每组四元组中得到的D0两位字符Q1与Q2通过相或操作计算得到辅助数据D1，
S1.4：判断D1是否为1，当D1=1，进入下一步，当D1≠1，进入步骤S1.11；
S1.5：当D1为1时，将辅助数据D1与D0中的两位字符Q1与Q2按位进行对比;
S1.6：判断D0是否为11，当D0=11，进入步骤下一步，当D0≠11，进入步骤S1.8；
S1.7：如果辅助数据D1与D0中的两位字符Q1与Q2都相等，即D0为11时，将原始响应X对应的四元组四位字符A1、A2、B1、B2直接存入响应Y中;
S1.8：当D0不为11时,即D0对应为10或01时，判断Q1与D1是否相等，当Q1=D1时进入下一步，当Q1≠D1时，进入步骤S1.10；
S1.9：当Q1=D1时，将对应的四元组中字符B1、B2与A1、A2进行异或，得到异或字符B3和B4，最终将A1、A2、B3、B4存入响应Y中；
S1.10：当Q1≠D1时，将对应的四元组中字符B1、B2与A1、A2进行异或，得到异或字符A3和A4，最终将A3、A4、B1、B2存入响应Y中；
S1.11：当D1不为1时，D0对应为00，将原始响应X对应的四元组中的A1和B2进行异或，A1和B2异或得到的D00的第一位字符J1,将原始响应X对应的四元组中的A2和B1进行异或，A2和B1异或得到的D00的第二位字符J2；
S1.12：将得到的J1和J2进行异或操作得到一位字符D10，若D10的字符J1与D00字符J2均相同，则将对应的四元组字符A1、A2、B1、B2舍弃，若D10的字符J1与D00字符J2均不同，将对应的四元组字符A1、A2、B1、B2直接存入响应Y中。
优选的，所述异或即当输入均为1或者都是0时，输出为0，当输入不同时，输出为1，所述相或即输入为10、01、11时，输出为1，当输入为00时，输出为0，所述逆运算即当无偏响应Y'和辅助数据W都是1时，输出为0，当无偏响应Y'和辅助数据W为0时，输出为1，当辅助数据W为1，无偏响应Y'为0时，输出为1，当辅助数据W为0，Y'为1时，输出为1。
优选的，所述S1.2具体对比输出为：若数据不同，则记D0第一位字符Q1等于1，若数据相同，则记D0第一位字符Q1等于0。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，具备以下有益效果：
1、该基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，通过PUF生成原始响应X，原始响应X每连续四位视为一个四元组，通过冯诺依曼算法对四元组数据进行对比，根据对比结果及辅助数据相或计算后选择将对应原始数据直接存入或根据不同情况进行异或计算，筛选丢弃原始响应中1111和0000两种极端情况，最终本技术中PUF所生成的响应Y中数据“1”所占的比例几乎为50%，极大的增强了PUF响应的偏置特性，对比于经典冯诺依曼去偏算法的响应利用率的25%，本技术将响应利用率提升到了87%，极大得增加了PUF响应的利用率。
2、该基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，经典的基于代码偏移的密钥生成器只能处理有限数量的PUF偏置，本方法在生成代码偏移辅助数据之前，通过使用去偏步骤扩展密钥生成器设计，实际登记的去偏PUF响应Y比原始X偏小，因此由于偏置导致的熵泄漏减少。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法流程示意图；
图2为本发明提出的一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法整体示意图；
图3为本发明提出的一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法去偏数据图；
图4为本发明提出的一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法去偏流程图。
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。
请参阅图1-4，一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，包括两个阶段，分别为密钥注册阶段和密钥恢复阶段；
密钥注册阶段包括以下步骤：
S1：由PUF生成原始响应X，通过冯诺依曼算法去偏最终输出无偏响应Y，同时产生去偏辅助数据H；同时由随机数生成器生成随机字符串S，通过编码器生成码字C，随机字符串S使用KDF函数导出密钥K；
S2：码字C和无偏响应Y进行异或得到辅助数据W，辅助数据W与去偏置辅助数据H一起传输到恢复阶段；密钥恢复阶段包括以下步骤：
S3：由PUF输出受噪音影响后的响应X'，响应X'通过去偏置辅助数据H恢复出无偏响应Y'；
S4：无偏响应Y'和辅助数据W的逆运算得到噪音码字C',将噪音码字C'经过解码器解产生随机字符串S'，最终通过KDF函数导出密钥K'。
S1包括以下步骤：
S1.1：由PUF生成原始响应X，将原始响应X的每四位字符作为一个四元组，四元组内字符记为（A1、A2、B1、B2）；
S1.2：将原始响应X四元组内字符A1、A2、B1、B2进行对比输出,获得辅助数据D0的第一位字符Q1和第二位字符Q2；
S1.3：将每组四元组中得到的D0两位字符Q1与Q2通过相或操作计算得到辅助数据D1；
S1.4：判断D1是否为1，当D1=1，进入下一步，当D1≠1，进入步骤S1.11；
S1.5：当D1为1时，将辅助数据D1与D0中的两位字符Q1与Q2按位进行对比;
S1.6：判断D0是否为11，当D0=11，进入步骤下一步，当D0≠11，进入步骤S1.8；
S1.7：如果辅助数据D1与D0中的两位字符Q1与Q2都相等，即D0为11时，将原始响应X对应的四元组四位字符A1、A2、B1、B2直接存入响应Y中;
S1.8：当D0不为11时,即D0对应为10或01时，判断Q1与D1是否相等，当Q1=D1时进入下一步，当Q1≠D1时，进入步骤S1.10；
S1.9：当Q1=D1时，将对应的四元组中字符B1、B2与A1、A2进行异或，得到异或字符B3和B4，最终将A1、A2、B3、B4存入响应Y中；
S1.10：当Q1≠D1时，将对应的四元组中字符B1、B2与A1、A2进行异或，得到异或字符A3和A4，最终将A3、A4、B1、B2存入响应Y中；
S1.11：当D1不为1时，D0对应为00，将原始响应X对应的四元组中的A1和B2进行异或，A1和B2异或得到的D00的第一位字符J1,将原始响应X对应的四元组中的A2和B1进行异或，A2和B1异或得到的D00的第二位字符J2；
S1.12：将得到的J1和J2进行异或操作得到一位字符D10，若D10的字符J1与D00字符J2均相同，则将对应的四元组字符A1、A2、B1、B2舍弃，若D10的字符J1与D00字符J2均不同，将对应的四元组字符A1、A2、B1、B2直接存入响应Y中。
异或即当输入均为1或者都是0时，输出为0，当输入不同时，输出为1，相或即输入为10、01、11时，输出为1，当输入为00时，输出为0，逆运算即当无偏响应Y'和辅助数据W都是1时，输出为0，当无偏响应Y'和辅助数据W为0时，输出为1，当辅助数据W为1，无偏响应Y'为0时，输出为1，当辅助数据W为0，Y'为1时，输出为1。
S1.2具体对比输出为：若数据不同，则记D0第一位字符Q1等于1，若数据相同，则记D0第一位字符Q1等于0。
综上所述，本发明中的密钥生成器包含一个PUF、随机数生成器、去偏模块、解码器、译码器、KDF函数发生器。主要分为注册阶段和恢复阶段。
在注册阶段时，密钥K由随机数生成器产生的随机字符串S经过KDF函数处理后直接输出。为了使被噪音污染情况下能够输出正确的密钥K，本发明利用编码器以及PUF和去偏模块产生的无偏响应Y产生辅助数据W帮助恢复随机字符串S。
在PUF去偏过程中通过冯诺依曼算法对PUF原始响应进行分类，一共分为四种方案。
第一种方案包括四元组为0101、1001、1010、0110这四种情况，此时将四元组直接存入输出Y中；
第二种方案包括四元组为0010、0001、1101、1110、1000、1011、0111、0100这八种情况，此时需将四元组中的第一位与第三位异或，第二位与第四位异或所得结果，前四种将上述所得结果放在前两位与原始四元组后两位组合存入输出Y中，后四重将上述所得结果放在后两位与原始四元组前两位组合存入输出Y中；
第三种方案包括四元组为1100、0011这两种情况，此时将四元组直接存入输出Y中；
第四种方案包括四元组为1111、0000这两种情况，此时将四元组直接丢弃。在判断四元组属于上述具体方案的同时产生辅助数据H，辅助数据H包括D0、D1、D00、D10，将辅助数据H传入恢复阶段辅助恢复Y'。
在恢复阶段时，根据辅助数据H与经过噪音影响后响应X'计算获得的辅助数据H进行对比，从而获取正确的无偏响应Y'，然后将无偏响应Y'与辅助数据W进行异或，以此来恢复码字C'，经过解码器解码获取由随机数生成器产生的随机字符串S'，最终再通过KDF函数发生器生成密钥K'。
通过PUF生成原始响应X，原始响应X每连续四位视为一个四元组，通过冯诺依曼算法对四元组数据进行对比，根据对比结果及辅助数据相或计算后选择将对应原始数据直接存入或根据不同情况进行异或计算，筛选丢弃原始响应中1111和0000两种极端情况，最终本技术中PUF所生成的响应Y中数据“1”所占的比例几乎为50%，极大的增强了PUF响应的偏置特性，对比于经典冯诺依曼去偏算法的响应利用率的25%，本技术将响应利用率提升到了87%，极大得增加了PUF响应的利用率。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，其特征在于，包括两个阶段，分别为密钥注册阶段和密钥恢复阶段；
密钥注册阶段包括以下步骤：
S1：由PUF生成原始响应X，通过冯诺依曼算法去偏最终输出无偏响应Y，同时产生去偏辅助数据H；同时由随机数生成器生成随机字符串S，通过编码器生成码字C，随机字符串S使用KDF函数导出密钥K；
S2：码字C和无偏响应Y进行异或得到辅助数据W，辅助数据W与去偏置辅助数据H一起传输到恢复阶段；密钥恢复阶段包括以下步骤：
S3：由PUF输出受噪音影响后的响应X'，响应X'通过去偏置辅助数据H恢复出无偏响应Y'；
S4：无偏响应Y'和辅助数据W的逆运算得到噪音码字C',将噪音码字C'经过解码器解产生随机字符串S'，最终通过KDF函数导出密钥K'；
所述S1包括以下步骤：
S1.1：由PUF生成原始响应X，将原始响应X的每四位字符作为一个四元组，四元组内字符记为（A1、A2、B1、B2）；
S1.2：将原始响应X四元组内字符A1、A2、B1、B2进行对比输出,获得辅助数据D0的第一位字符Q1和第二位字符Q2；
S1.3：将每组四元组中得到的D0两位字符Q1与Q2通过相或操作计算得到辅助数据D1；
S1.4：当D1=1，进入步骤S1.5，当D1≠1，进入步骤S1.11；
S1.5：当D1为1时，将辅助数据D1与D0中的两位字符Q1与Q2按位进行对比;
S1.6：当D0=11，进入步骤S1.7，当D0≠11，进入步骤S1.8；
S1.7：如果辅助数据D1与D0中的两位字符Q1与Q2都相等，即D0为11时，将原始响应X对应的四元组四位字符A1、A2、B1、B2直接存入响应Y中;
S1.8：当D0不为11时,即D0对应为10或01时，判断Q1与D1是否相等，当Q1=D1时进入步骤S1.9，当Q1≠D1时，进入步骤S1.10；
S1.9：当Q1=D1时，将对应的四元组中字符B1、B2与A1、A2进行异或，得到异或字符B3和B4，最终将A1、A2、B3、B4存入响应Y中；
S1.10：当Q1≠D1时，将对应的四元组中字符B1、B2与A1、A2进行异或，得到异或字符A3和A4，最终将A3、A4、B1、B2存入响应Y中；
S1.11：当D1不为1时，D0对应为00，将原始响应X对应的四元组中的A1和B2进行异或，A1和B2异或得到的D00的第一位字符J1,将原始响应X对应的四元组中的A2和B1进行异或，A2和B1异或得到的D00的第二位字符J2；
S1.12：将得到的J1和J2进行异或操作得到一位字符D10，若D10的字符J1与D00字符J2均相同，则将对应的四元组字符A1、A2、B1、B2舍弃，若D10的字符J1与D00字符J2均不同，将对应的四元组字符A1、A2、B1、B2直接存入响应Y中。
2.根据权利要求1所述的一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，其特征在于，所述异或即当输入均为1或者都是0时，输出为0，当输入不同时，输出为1，所述相或即输入为10、01、11时，输出为1，当输入为00时，输出为0，所述逆运算即当无偏响应Y'和辅助数据W都是1时，输出为0，当无偏响应Y'和辅助数据W为0时，输出为1，当辅助数据W为1，无偏响应Y'为0时，输出为1，当辅助数据W为0，Y'为1时，输出为1。
3.根据权利要求1所述的一种基于PUF的冯诺依曼密钥生成器去偏算法，其特征在于，所述S1.2具体对比输出为：若数据不同，则记D0第一位字符Q1等于1，若数据相同，则记D0第一位字符Q1等于0。
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