PL237476B1 - Generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych przeznaczony zwłaszcza do generacji fizycznie pozyskiwanych, nieklonowalnych i unikalnych kluczy kryptograficznych.

Znany jest w technice, np. z publikacji Chi-En Yin, Gang Qu, “Temperature-aware cooperative ring oscillator PUF”, 2009 IEEE International Workshop on Hardware-Oriented Security and Trust (HOST '09), Francisco, CA, USA, 2009, pp. 3642, DOI: 10.1109/HST.2009.5225055, generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych, który zawiera generatory pierścieniowe, których wyjścia dołączone są do dwóch liczników przez multipleksery. Wyjścia liczników dołączone są do komparatora, którego wyjście jest wyjściem generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych.

Celem wynalazku jest uwydatnienie międzyegzemplarzowych rozrzutów technologicznych elementów użytych do budowy układu chaotycznego.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych zawierający generatory pierścieniowe ma przynajmniej jeden detektor fazy, którego wejścia ma dołączone do wyjść generatorów pierścieniowych, oraz przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z przełączaną ścieżką propagacji, oraz wyjście detektora fazy ma dołączone do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji oraz do wyjścia układu. Połączenia te tworzą układ chaotyczny, którego wyjście jest wyjściem generatora.

Korzystnie wyjście układu chaotycznego dołączone jest do wyjścia generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych przez układ rejestrująco-porównujący.

Korzystnie generatory pierścieniowe oraz generatory pierścieniowe z przełączanymi ścieżkami propagacji mają wejścia inicjalizacji dołączone do wejścia generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych.

Korzystnie wyjście detektora fazy jest dołączone do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji przez układ sterujący.

Korzystnie układ rejestrująco-porównujący ma wejście dołączone do wejścia generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych, i również korzystnie ma także wejście dołączone do przynajmniej jednego wyjścia generatora pierścieniowego lub generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji.

Korzystnie generator pierścieniowy ma przynajmniej jedną linię opóźniającą, której wyjście dołączone ma do wyjścia generatora pierścieniowego, oraz wyjście linii opóźniającej dołączone ma do jej wejścia przez klucz startowy, którego wejście sterujące dołączone ma do wejścia inicjalizacji generatora pierścieniowego, przy czym linia opóźniająca zawiera elementy opóźniające połączone w szereg.

Korzystnie generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji ma przynajmniej dwie linie opóźniające połączone ze sobą tak, że wyjście pierwszej linii opóźniającej dołączone jest do wejścia drugiej linii opóźniającej a wyjście jednej z tych linii opóźniających dołączone jest do wyjścia generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji. Linie opóźniające korzystnie mają elementy opóźniające połączone w szeregi.

Korzystnie generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji ma multiplekser, którego wejście sterujące ma dołączone do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, wyjście ma dołączone do wejścia jednej linii opóźniającej przez klucz startowy, którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia inicjalizacji generatora, a wejścia multiplekser ma dołączone do wejścia i wyjścia innej linii opóźniającej.

Układ sterujący korzystnie ma przynajmniej jeden element opóźniający oraz elementy opóźniające połączone są w szereg.

Detektor fazy korzystnie stanowi przerzutnik o dwóch wejściach stanowiących wejścia detektora fazy i wyjściu stanowiącym wyjście detektora fazy. Detektor fazy ma dwa przerzutniki o dwóch wejściach i dwóch wyjściach każdy, ma wejścia przerzutników dołączone do wejść detektora fazy, ma wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy, przy czym pierwsze wejście detektora fazy dołączone ma jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika i drugiego wejścia drugiego przerzutnika, drugie wejście detektora fazy dołączone ma jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika, a wyjście detektora fazy dołączone ma do wybranych wyjść przerzutników przez układ logiczny.

PL 237 476 B1

Wynalazek umożliwia generację unikalnych, fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych dzięki międzyegzemplarzowym rozrzutom parametrów elementów składających się na układ chaotyczny.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych składającego się z układu chaotycznego oraz układu rejestrująco-porównującego, fig. 2 przedstawia schemat blokowy generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych składającego się z układu rejestrująco-porównującego oraz układu chaotycznego zawierającego generator pierścieniowy, generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji i detektor fazy, fig. 3 przedstawia schemat blokowy generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych składającego się z układu rejestrująco porównującego oraz układu chaotycznego zawierającego dwa generatory pierścieniowe z przełączanymi ścieżkami propagacji, detektor fazy i układ sterujący, fig. 4 przedstawia schemat blokowy generatora pierścieniowego, fig. 5 przedstawia schemat blokowy pierwszego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, fig. 6 przedstawia schemat blokowy drugiego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, fig. 7 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z elementów opóźniających, fig. 8 przedstawia schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z jednego przerzutnika, a fig. 9 - schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z dwóch przerzutników.

Generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych przedstawiony na fig. 1 zawiera układ chaotyczny UCH, którego wyjście o-UCH dołączone jest do wejścia u-URP układu rejestrującoporównującego URP, którego wyjście o-URP dołączone jest do wyjścia o-PUF generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych PUF.

Układ chaotyczny zapewnia wrażliwość na międzyegzemplarzowe rozrzuty parametrów elementów składających się na ten układ. Układ rejestrująco-porównujący zapewnia możliwość rejestracji ciągów i porównywania ich między sobą. Dzięki temu analiza statystyczna kolejnych ciągów generowanych przez układ chaotyczny lub weryfikacja stanu po odpowiedniej liczbie iteracji zapewniają unikalność liczb związaną z konkretnym egzemplarzem.

Generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych przedstawiony na fig. 2 zawiera układ chaotyczny UCH oraz układ rejestrująco-porównujący URP. Układ chaotyczny UCH zawiera generator pierścieniowy GP oraz generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji GPSP, których wyjścia o-GP i o-GPSP dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji s-GPSP, a także do wyjścia o-UCH układu chaotycznego UCH, które dołączone jest do wejścia u-URP układu rejestrująco-porównującego URP. Wyjście o-URP układu rejestrująco-porównującego URP dołączone jest do wyjścia o-PUF generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych PUF. Wejście inicjalizujące i-UCH generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych UCH dołączone jest jednocześnie do wejść inicjalizujących generatora pierścieniowego i-GP i generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji i-GPSP.

Detektor fazy DF przełącza częstotliwość generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP cyklicznie zmieniając lub synchronizując fazę obydwu generatorów GP i GPSP - czego efektem jest chaotyczne zachowanie układu. Różnice międzyegzemplarzowe w budowie generatorów pierścieniowych powodują, że chaos deterministyczny staje się chaosem niedeterministycznym jednak do pewnego stopnia specyficznym dla elementów użytych do budowy układu chaotycznego. Dzięki temu ciągi generowane przez układ chaotyczny zapewniają unikalność związaną z konkretnym egzemplarzem. Rejestracja kolejnych ciągów generowanych przez układ chaotyczny i porównanie ich między sobą pozwalają stwierdzić, w którym momencie zachodzą między tymi ciągami różnice. Podłączenie wejść inicjalizujących generatora pierścieniowego oraz generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji i-GP i i-GPSP do wejścia inicjalizacji i-UCH generatora pozwala na łatwe, cykliczne uruchamianie układu. Brak tych połączeń powoduje, że układ musi być inicjalizowany w inny sposób na przykład przez cykliczne włączanie zasilania generatora pierścieniowego oraz generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji.

Generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych przedstawiony na fig. 3 zawiera układ chaotyczny UCH oraz układ rejestrująco-porównujący URP. Układ chaotyczny UCH zawiera dwa generatory pierścieniowe z przełączanymi ścieżkami propagacji GPSP i GPSP’, których wyjścia o-GPSP i o-GPSP’ dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do wejścia i-US układu sterującego US, a wyjście układu sterującego o-US dołączone jest do wejść sterujących generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji

PL 237 476 B1 s-GPSP i s-GPSP’. Wyjście o-DF detektora fazy DF dołączone jest do wyjścia o-UCH układu chaotycznego UCH, które dołączone jest do wejścia u-URP układu rejestrująco-porównującego URP, a wyjście tego układu o-URP dołączone jest do wyjścia o-PUF generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych PUF. Wejście generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych i-UCH dołączone jest jednocześnie do wejść inicjalizujących generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji i-GPSP i i-GPSP’ oraz do drugiego wejścia układu rejestrująco-porównującego i-URP. Trzecie wejście układu rejestrująco-porównującego z-URP dołączone jest do wyjścia drugiego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji o-GPSP’.

Zastosowanie drugiego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP’, pracującego przeciwnie w stosunku do pierwszego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP, poprawia chaotyczne właściwości działania układu UCH. Natomiast dołączenie wejść i-URP i z-URP układu rejestrująco-porównującego URP do wejścia inicjalizującego i-UCH generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych PUF oraz do wyjścia o-GPSP’ jednego z generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji GPSP’ poprawia i upraszcza rejestrację i wzajemne porównanie ciągów liczbowych.

Generator pierścieniowy przedstawiony na fig. 4 zawiera linię opóźniającą LO, której wyjście o-LO jest jednocześnie dołączone do wyjścia o-GP generatora pierścieniowego GP oraz do wejścia i-LO linii opóźniającej LO przez klucz startowy KS, którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia inicjalizacji i-GP generatora pierścieniowego GP. Linia opóźniająca LO zawiera elementy opóźniające EO połączone w szereg.

Liczba elementów opóźniających oraz opóźnienie wprowadzane przez każdy element opóźniający determinują podstawową częstotliwość pracy generatora pierścieniowego GP. Częstotliwość podstawowa jest obarczona niestałością, wynikającą ze zjawisk fizycznych, jak również właściwościami specyficznymi dla konkretnego układu. Klucz startowy KS sterowany przez wejście inicjalizacji i-GP generatora pierścieniowego GP pozwala na zatrzymanie pracy generatora i ponowne jego uruchomienie w wybranym momencie.

Generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji przedstawiony na fig. 5 zawiera dwie linie opóźniające LO1 i LO2 oraz multiplekser MUX. Linie opóźniające LO1 i LO2 połączone ze sobą w szereg tak, że wyjście pierwszej linii opóźniającej o-LO1 dołączone jest do wejścia drugiej linii opóźniającej i-LO2. Wyjście drugiej linii o-LO2 dołączone jest do wyjścia o-GPSP generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP. Każda z linii opóźniających LO1 i LO2 zawiera elementy opóźniające EO połączone w szeregi. Multiplekser MUX ma dwa wejścia i0-MUX i i1-MUX, które dołączone są do wyjść linii opóźniających o-LO1 i o-LO2. Wyjście multipleksera o-MUX dołączone jest do wejścia pierwszej linii opóźniającej i-LO1 przez klucz startowy KS, którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia inicjalizacji generatora i-GPSP. Wejście sterujące multipleksera s-MUX dołączone jest do wejścia sterującego generatora s-GPSP.

Generator GPSP posiada dwie podstawowe częstotliwości pracy, a wybór jednej z nich dokonywany jest przez sygnał sterujący generatora s-GPSP. Podstawowe częstotliwości pracy zależą od liczby elementów opóźniających EO składających się na każdą z linii opóźniających LO1 i LO2, od opóźnień wprowadzanych przez każdy element opóźniający EO oraz od opóźnienia wprowadzanego przez multiplekser MUX. Częstotliwości podstawowe są obarczone niestałością, wynikającą ze zjawisk fizycznych, jak również właściwościami specyficznymi dla konkretnego układu. Klucz startowy KS sterowany przez wejście inicjalizacji generatora i-GPSP pozwala na zatrzymanie pracy generatora i ponowne jego uruchomienie w wybranym momencie.

Generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji przedstawiony na fig. 6 ma budowę taką jak układ z fig. 5, z tą różnicą, że wejścia i0-MUX i i1-MUX multipleksera MUX są dołączone są do wyjść linii opóźniających o-LO1 i o-LO2 na odwrót. Odwrotne dołączenie wyjść linii opóźniających do wejść multipleksera powoduje, że wybrana częstotliwość pracy generatora GPSP’ jest przeciwna w stosunku do częstotliwości wybranej w generatorze GPSP.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 7 zawiera dwuelementowy szereg złożony z elementów opóźniających EO dołączony pomiędzy wejściem i-US i wyjściem o-US układu sterującego US.

Szereg elementów opóźniających EO wprowadza opóźnienie w sprzężeniu zwrotnym, tj. opóźnienie w przekazywaniu sygnału sterowania korekcją fazy, dzięki czemu poprawia chaotyczne właściwości działania układu.

Detektor fazy przedstawiony na fig. 8 stanowi przerzutnik P o dwóch wejściach D i C stanowiących wejścia i1-DF i i2-DF detektora fazy DF i wyjściu Q stanowiącym wyjście detektora fazy o-DF.

PL 237 476 B1

W zależności od tego, czy narastające zbocze na wejściu D przerzutnika nadejdzie przed czy po narastającym zboczu na wejściu C przerzutnika, na wyjściu Q pojawi się logiczna jedynka lub logiczne zero.

Detektor fazy przedstawiony na fig. 9 zawiera układ logiczny AND o dwóch wejściach i jednym wyjściu oraz dwa przerzutniki P1 i P2, każdy o dwóch wejściach D1 i C1 oraz D2 i C2 jak również dwóch wyjściach Q1 i nQ1 oraz Q2 i nQ2. Wejścia przerzutników dołączone są do wejść detektora fazy DF, natomiast wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy przez układ logiczny AND. Pierwsze wejście detektora fazy i1-DF dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika D1 i drugiego wejścia drugiego przerzutnika C2. Drugie wejście detektora fazy i2-DF dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika C1 i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika D2. Wejścia układu logicznego AND dołączone są do drugiego wyjścia pierwszego przerzutnika nQ1 oraz pierwszego wyjścia drugiego przerzutnika Q2. Wyjście układu logicznego AND dołączone jest do wyjścia detektora fazy o-DF.

Detektor fazy zbudowany z dwóch przerzutników pozwala na symetryczną detekcję ujemnych i dodatnich przesunięć fazowych.

Możliwości zastosowania wynalazku przewiduje się w generowaniu niekopiowalnych kluczy kryptograficznych unikalnych dla konkretnego urządzenia.

Claims (12)

1. Generator fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych zawierający generatory pierścieniowe, znamienny tym, że posiada przynajmniej jeden detektor fazy (DF), którego wejścia (i1-DF, i2-DF) dołączone są do wyjść generatorów pierścieniowych (o-GP, o-GPSP, o-GPSP’), oraz że przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z przełączaną ścieżką propagacji (GPSP, GPSP’), oraz że wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji (s-GPSP) oraz do wyjścia układu (o-UCH), przy czym połączenia te tworzą układ chaotyczny (UCH), którego wyjście (o-UCH) jest wyjściem (o-PUF) generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych (PUF).

2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście (o-UCH) układu chaotycznego (UCH) dołączone jest do wyjścia (o-PUF) generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych (PUF) przez układ rejestrująco-porównujący (URP).

3. Generator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że generatory pierścieniowe (GP) oraz generatory pierścieniowe z przełączanymi ścieżkami propagacji (GPSP, GPSP’) posiadają wejścia inicjalizacji (i-GP, i-GPSP, i-GPSP’) dołączone do wejścia (i-UCH) generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych (PUF).

4. Generator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji (s-GPSP, s-GPSP’) przez układ sterujący (US).

5. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że układ rejestrująco-porównujący (URP) posiada wejście (i-URP) dołączone do wejścia (i-UCH) generatora fizycznie niekopiowalnych kluczy kryptograficznych (PUF).

6. Generator według zastrz. 2, znamienny tym, że układ rejestrująco-porównujący (URP) posiada wejście (z-URP) dołączone do przynajmniej jednego wyjścia generatora pierścieniowego (o-GP) lub generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji (o-GPSP, o-GPSP’).

7. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że generator pierścieniowy (GP) zawiera przynajmniej jedną linię opóźniającą (LO), której wyjście (o-LO) dołączone jest do wyjścia (o-GP) generatora pierścieniowego (GP), oraz że wyjście (o-LO) linii opóźniającej (LO) dołączone jest do jej wejścia (i-LO) przez klucz startowy (KS), którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia inicjalizacji (i-GP) generatora pierścieniowego (GP), przy czym linia opóźniająca (LO) zawiera elementy opóźniające (EO) połączone w szereg.

8. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji (GPSP, GPSP’) zawiera przynajmniej dwie linie opóźniające (LO1, LO2)

PL 237 476 B1 połączone ze sobą tak, że wyjście pierwszej linii opóźniającej (o-LO1) dołączone jest do wejścia drugiej linii opóźniającej (i-LO2), oraz że wyjście jednej z tych linii opóźniających (o-LO2) dołączone jest do wyjścia generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji (o-GPSP, o-GPSP’), przy czym linie opóźniające (LO1, LO2) zawierają elementy opóźniające (EO) połączone w szeregi.

9. Generator według zastrz. 8, znamienny tym, że generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji (GPSP, GPSP’) zawiera multiplekser (MUX), którego wejście sterujące (s-MUX) dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji (s-GPSP, s-GPSP’), oraz którego wyjście (o-MUX) dołączone jest do wejścia jednej linii opóźniającej (i-LO1) przez klucz startowy (KS), którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia inicjalizacji generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji (i-GPSP, i-GPSP’), oraz że wejścia multipleksera (i0-MUX, i1-MUX) dołączone są wejścia i wyjścia innej linii opóźniającej (o-LO2, i-LO2).

10. Generator według zastrz. 4, znamienny tym, że układ sterujący (US) zawiera przynajmniej jeden element opóźniający (EO), oraz elementy opóźniające (EO) połączone są w szereg.

11. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor fazy (DF) stanowi przerzutnik (P) o dwóch wejściach (D, C) stanowiących wejścia detektora fazy (i1-DF, i2-DF) i wyjściu (Q) stanowiącym wyjście detektora fazy (o-DF).

12. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor fazy (DF) zawiera dwa przerzutniki (P1), (P2) o dwóch wejściach (D1, C1), (D2, C2) i dwóch wyjściach (Q1, nQ1), (Q2, nQ2) każdy, który ma wejścia przerzutników dołączone do wejść detektora fazy i który ma wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy, przy czym pierwsze wejście detektora fazy (i1-DF) dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika (D1) i drugiego wejścia drugiego przerzutnika (C2), drugie wejście detektora fazy (i2-DF) dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika (C1) i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika (D2), a wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do wybranych wyjść przerzutników (nQ1, Q2) przez układ logiczny (AND).