基於瞬態效應環形振蕩器的強PUF電路及響應生成方法

2023-05-30 23:50:07 2

基於瞬態效應環形振蕩器的強puf電路及響應生成方法
技術領域
1.本技術屬於電路設計和信息安全技術領域，具體涉及基於瞬態效應環形振蕩器的強puf電路及響應生成方法。


背景技術：

2.隨著現代科技的不斷發展，萬物智能時代已經到來，萬物互聯已成為現實。物聯網（iot）將生活中的大量電子產品相互連接，且其部署及應用範圍正在擴大，但同時也帶來了一些關於安全和隱私的挑戰。這些安全挑戰是在全球範圍內大規模部署物聯網的主要障礙，提高保護和安全機製成為解決這些問題的關鍵。而物理不可克隆電路（puf）是確保身份驗證、訪問控制和可追溯性的一種很有前途的方法。puf可以提供成本低且安全性高的身份驗證功能。
3.現已存在的puf類型眾多，可分為弱puf和強puf兩大類。弱puf產生的激勵響應對（crp）數目有限，而強puf由於能夠產生海量的激勵響應對，所以比弱puf具有更廣泛的應用前景。仲裁器puf（arbiter puf）是最經典的強puf電路，但在現場可編程門陣列（fpga）上實現時很難達到良好的對稱性，導致唯一性差。所以提出了基於環形振蕩器的強puf（strong ro puf），基於環形振蕩器的強puf易於在fpga和專用集成電路（asic）上實現，而且不需要對稱結構，具有更好的唯一性。但基於環形振蕩器的強puf存在的安全問題也不容忽視，基於環形振蕩器的強puf產生的響應對環境變化敏感，通過電磁注入可以鎖定ro單元，導致鎖定現象，造成安全隱患。


技術實現要素：

4.本技術的目的是提供基於瞬態效應環形振蕩器的強puf電路及響應生成方法，本技術可減少鎖定現象，可增強響應值的穩定性，還可產生海量激勵響應對。
5.為達到上述目的，本技術實施例一方面提供了基於瞬態效應環形振蕩器的強puf電路，包括：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊，均包括n個tero單元；選擇控制器，用來向第一選擇器和第二選擇器輸入選擇信號；第一選擇器和第二選擇器，分別連接第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊,用來根據接收的選擇信號，每次從第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中分別選擇一與選擇信號對應的tero單元產生振蕩信號，並傳輸至路徑選擇器；路徑選擇器，用來根據外部輸入的激勵信號，以激勵信號對應的傳輸路徑將每次產生的兩路振蕩信號分別傳輸至第一計數器和第二計數器；第一計數器和第二計數器，用來對輸入的振蕩信號計數；比較器，用來比較第一計數器和第二計數器的計數值並產生輸出響應；異或模塊，用來將比較器每次的輸出響應與暫存的響應待用值進行異或運算，以及採用每次的異或運算值更新響應待用值；當所有tero單元均被選擇過，異或模塊輸出最
終的異或運算值作為最終響應。
6.在一些具體實施方式中，tero單元包括兩個結構相同且對稱的分支，各分支均包括依次串聯的一與門和若干個反相器；兩分支中與門的兩輸入端均分別連接同一輸入信號init和另一分支的輸出端，與門的一輸出端連接反相器。
7.在一些具體實施方式中，異或模塊包括一異或運算單元和一d觸發器，其中，異或運算單元連接比較器和d觸發器，異或運算單元用來將比較器每次的輸出響應與d觸發器中暫存的響應待用值進行異或運算，並採用每次的異或運算值更新d觸發器中暫存的響應待用值。
8.在一些具體實施方式中，傳輸路徑包括平行傳輸路徑和交叉傳輸路徑；其中，平行傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第一計數器和第二計數器；交叉傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第二計數器和第一計數器。
9.本技術實施例第二方面提供了上述基於瞬態效應環形振蕩器的強puf電路的響應生成方法，包括：（1）選擇控制器根據預設的選擇規則，控制第一選擇器和第二選擇器每次從第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中分別選擇一tero單元同時產生振蕩信號，並傳輸至路徑選擇器；（2）路徑選擇器接收外部的n比特激勵信號，每次根據其中1比特激勵信號，控制兩路振蕩信號以激勵信號對應的傳輸路徑進行傳輸，分別傳輸至第一計數器和第二計數器；（3）第一計數器和第二計數器對輸入的振蕩信號進行計數；（4）比較器比較第一計數器和第二計數器的計數值並產生輸出響應；（5）異或模塊將比較器的輸出響應與暫存的響應待用值進行異或運算，並採用每次的異或運算值更新響應待用值；（6）重複步驟（1）-（5）直至第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中所有tero單元均被選擇過，異或模塊輸出最終的異或運算值作為最終響應。
10.在一些具體實施方式中，步驟（1）中，第一選擇器和第二選擇器分別通過將輸入所選擇tero單元的初始信號init設為高電平，從而控制所選擇tero單元產生振蕩信號。
11.在一些具體實施方式中，選擇規則包括採用特定順序或隨機順序，來逐一選擇第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中tero單元。
12.進一步的，採用特定順序選擇包括順次逐一選擇第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中的tero單元。
13.在一些具體實施方式中，傳輸路徑包括平行傳輸路徑和交叉傳輸路徑；其中，平行傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第一計數器和第二計數器；交叉傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第二計數器和第一計數器。
14.在一些具體實施方式中，步驟（2）進一步包括：當路徑選擇器接收到外部隨機輸入的n比特激勵信號c，將激勵信號c從低位至高位依次記為c[1]、c[2]、...c[n]；路徑選擇器遍歷激勵信號，每次根據1比特激勵信號c[i]進行路徑控制，具體包
括：根據激勵信號與傳輸路徑預設的對應關係，控制兩路振蕩信號以激勵信號c[i]對應的傳輸路徑進行傳輸；其中，i依次取1，2,...,n；所述傳輸路徑包括平行傳輸路徑和交叉傳輸路徑；其中，平行傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第一計數器和第二計數器；交叉傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第二計數器和第一計數器。
[0015]
與現有技術相比，本技術具有如下優點和有益效果：1、採用tero單元，可大幅縮短振蕩時間，降低對鎖定現象的敏感度，減少鎖定現象，從而減少安全隱患；2、採用異或模塊，使每一次比較器的輸出響應都能影響最終響應值，可增強響應值的穩定性；3、tero單元設置為陣列形式，結合對應的響應生成方法，可產生海量激勵響應對。
附圖說明
[0016]
圖1為本技術實施例中tero單元的結構示意圖；圖2為本技術實施例中強tero puf的結構示意圖；附圖標記：1-第一分支，2-第二分支，3-第一tero陣列模塊，4-第二tero陣列模塊。
實施方式
[0017]
下面將結合附圖對本技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本技術保護的範圍。
[0018]
為便於描述，將本技術基於瞬態效應環形振蕩器的強puf電路簡記為強tero puf，將基於環形振蕩器的強puf電路記為強ro puf。本技術強tero puf在某些方面的使用結果接近強ro puf，可較好保留強ro puf的基本性能。本技術基於強ro puf結構進行優化，以縮短振蕩時間，降低對鎖定現象的敏感度。鎖定現象對應于振蕩單元的頻率，以迫使它們在特定頻率下工作。由於強ro puf的原理是基於理論上相同單元的頻率不匹配，因此一旦被設定為特定頻率，強ro puf則失去正常工作的基本條件，即對鎖定現象敏感。而本技術強tero puf所分析的不是頻率，而是瞬態振蕩的數量。此外，強tero puf振蕩的次數有限，振蕩時間通常較短。這意味著鎖定現象對強tero puf的影響較小。以上則使強tero puf既能保留強ro puf的基本性能，又能彌補強ro puf的缺陷。
[0019]
本技術強tero puf採用瞬態效應環形振蕩器單元（tero單元），tero單元是一種亞穩態結構，圖1所示為本技術實施例中tero單元的結構示意圖。tero單元包括兩個結構相同且對稱的分支，分別記為第一分支1和第二分支2。第一分支和第二分支均包括依次串聯的一與門和若干個反相器，兩分支中反相器數量相同，各分支中反相器數量可選擇3-5。兩分支中與門的兩輸入端均分別連接同一輸入控制信號init和另一分支的輸出端，與門的輸出端連接反相器。當tero單元被初始化時，信號「init」的上升沿分別從兩分支的與門輸入，由cmos（互補金屬氧化物半導體）工藝中的變化引起tero單元兩個分支間延遲的失配，使得兩
事件開始在tero單元內傳播並振蕩，直到碰撞，則停止振蕩狀態。該特性使tero單元可輸出有限數量的振蕩，而且tero單元可大幅減少振蕩時間，從而可減少ro單元存在的頻率鎖定現象。
[0020]
參見圖2，所示為本技術實施例中強tero puf的結構圖。本技術實施例中強tero puf包括第一tero陣列模塊3、第二tero陣列模塊4、第一選擇器、第二選擇器、選擇控制器、路徑選擇器、第一計數器、第二計數器、比較器和異或模塊。第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊均包括相同數量的tero單元，將第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中tero單元的數量記為n，n的優選取值範圍為16-64。tero單元為puf電路的基本單元，當有tero單元接收到信號「init」的上升沿時，便產生有限數量的振蕩。第一tero陣列模塊中各tero單元的輸出均連接第一選擇器，第二tero陣列模塊中各tero單元的輸出均連接第二選擇器。
[0021]
選擇控制器用來向第一選擇器和第二選擇器輸入選擇信號，第一選擇器和第二選擇器根據接收的選擇信號，分別從第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中各選擇一與選擇信號對應的tero單元開始振蕩。所產生振蕩信號經路徑選擇後分別到達第一計數器和第二計數器進行計數。本技術實施例中選擇信號為固定於選擇控制器內部的一組信號。
[0022]
路徑選擇器用來控制所產生的兩路振蕩信號的傳輸路徑；具體的，用來根據激勵信號，控制每次產生的兩路振蕩信號以激勵信號對應的傳輸路徑進行傳輸。本技術實施例中傳輸路徑包括平行傳輸路徑和交叉傳輸路徑；其中，平行傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第一計數器和第二計數器；交叉傳輸路徑指：第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊產生的振蕩信號分別傳輸至第二計數器和第一計數器。激勵信號與傳輸路徑的對應關係預先設置。
[0023]
當路徑選擇器接收到外部隨機輸入的n比特激勵信號c，將激勵信號c從低位至高位依次記為c[1]、c[2]、...c[n]。每次輸入1比特的激勵信號c[i]到路徑選擇器中，路徑選擇器遍歷激勵信號，每次根據1比特激勵信號c[i]進行路徑控制，路徑控制根據激勵信號與傳輸路徑預設的對應關係進行，一種具體的方法為：當c[i]為1，路徑選擇器則將第一tero陣列模塊中第i個tero單元的輸出信號teroai送至第一計數器，將第二tero陣列模塊中第i個tero單元的輸出信號terobi送至第二計數器計數，此時兩路振蕩信號按平行傳輸路徑進行傳輸；當c[i]為0時，路徑選擇器則將第一tero陣列模塊的輸出信號teroai送至第二計數器，將第二tero陣列模塊中第i個tero單元的輸出信號terobi送至第一計數器，此時兩路振蕩信號按交叉傳輸路徑進行傳輸。當然也可預設另外一種對應關係，例如：當c[i]為1時，使兩路振蕩信號按交叉傳輸路徑進行傳輸；當c[i]為0時，使兩路振蕩信號按平行傳輸路徑進行傳輸。
[0024]
計數器用來對給定時間內振蕩信號的高電平數進行計數。比較器用於比較第一計數器和第二計數器中計數值的大小並產生相應的輸出響應。比較器一種可選的產生響應方法為：第一計數器的計數值記為為n1，第二計數器的計數值記為n2，比較器判斷n1與n2的大小，當n1》n2，則輸出響應1；當n1＜n2，則輸出響應為0。
[0025]
異或模塊用來將比較器的輸出響應與暫存的響應待用值進行異或運算，以及採用每次的異或運算值更新響應待用值，從而使每一次比較器的輸出響應都能影響最終響應，從而增強穩定性；當所有tero單元均被選擇過，異或模塊輸出最終的異或運算值作為最終響應。
[0026]
本技術實施例中異或模塊的一種可選結構為：參見圖2，異或模塊包括一異或運算單元和一d觸發器，其中，異或運算單元連接比較器和d觸發器，異或運算單元用來將比較器每次的輸出響應與d觸發器中暫存的響應待用值進行異或運算，並採用每次的異或運算值更新d觸發器中暫存的響應待用值，從而使每一次比較器的輸出響應都能影響最終的響應值。
[0027]
下面將提供本技術實施例強tero puf的一種可能的生成響應方法，如下：（1）選擇控制器根據預設的選擇規則，控制第一選擇器和第二選擇器每次從第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中分別選擇一tero單元產生振蕩信號，所選擇的兩tero單元同時開始振蕩，所產生的兩路振蕩信號分別經第一選擇器和第二選擇器傳輸至路徑選擇器。本技術實施例中選擇規則以選擇信號的方式固定於選擇控制器內部。
[0028]
具體的，第一選擇器和第二選擇器將輸入所選tero單元的初始信號init設為高電平，從而控制兩個所選tero單元開始振蕩並產生振蕩信號。
[0029]
本技術對選擇規則不限，可按預設的特定順序或隨機順序遍歷並逐一選擇tero單元，即第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中每個tero單元被選擇一次且僅選擇一次。
[0030]
下面將提供一種具體的選擇規則，該選擇規則為順次選擇：在選擇控制器的控制下，第一次選擇第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中第一個tero單元，第一個tero單元同時開始產生有限數量的振蕩，並產生振蕩信號輸入路徑選擇器。路徑選擇器根據外部輸入的激勵信號，控制兩路振蕩信號輸入對應的計數器。接下來，選擇第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中第二個tero單元，第二個tero單元同時開始產生有限數量的振蕩，並產生振蕩信號再次輸入路徑選擇器中。照此順序，直至n個tero單元均振蕩完畢。
[0031]
（2）路徑選擇器接收外部隨機輸入的n比特激勵信號，每次根據1比特激勵信號控制兩路振蕩信號以該1比特激勵信號對應的傳輸路徑進行傳輸，分別傳輸至第一計數器和第二計數器。
[0032]
一種可選的路徑控制方法為：將n比特激勵信號c從低位至高位依次記為c[1]、c[2]、...c[n]，n比特激勵信號依次輸入路徑選擇器，每一次根據當前的1比特激勵信號c[i]選擇兩路振蕩信號所進入的計數器。激勵信號c[i]為二進位數碼，包括0和1。當激勵信號為第一二進位數碼時，路徑選擇器控制兩路振蕩信號按平行傳輸路徑進行傳輸；當激勵信號為第二二進位數碼時，路徑選擇器控制兩路振蕩信號按交叉傳輸路徑進行傳輸。第一二進位數碼和第二二進位數碼的表述，用來表示不同的二進位數碼對應不同的傳輸路徑。
[0033]
例如，路徑控制方法可為：當c[i]為1，第一tero陣列模塊產生的振蕩信號經路徑選擇器送至第一計數器，第二tero陣列模塊產生的振蕩信號經路徑選擇器送至第二計數器，此時兩路振蕩信號按平行傳輸路徑進行傳輸。當c[i]為0，第一tero陣列模塊產生的振蕩信號經路徑選擇器送至第二計數器，第二tero陣列模塊產生的振蕩信號經路徑選擇器送至第一計數器，此時兩路振蕩信號按交叉傳輸路徑進行傳輸。當然也可設置為：當c[i]為1時，使兩路振蕩信號按交叉傳輸路徑進行傳輸；當c[i]為0時，使兩路振蕩信號按平行傳輸路徑進行傳輸。
[0034]
（3）第一計數器和第二計數器對輸入的振蕩信號進行計數。
[0035]
（4）比較器比較第一計數器和第二計數器的計數值並產生輸出響應，每一次的輸
出響應依次輸入異或模塊。
[0036]
（5）異或模塊將比較器的輸出響應與暫存的響應待用值進行異或運算，並採用每次的異或運算值更新響應待用值。
[0037]
（6）重複步驟（1）-（5）直至第一tero陣列模塊和第二tero陣列模塊中所有tero單元均被選擇過，異或模塊輸出最終的異或運算值作為最終響應。
[0038]
出於便於理解的目的，下面將對異或模塊的工作原理進行詳細介紹。
[0039]
初始化響應待用值qn=0；當異或模塊接收到比較器的第一個輸出響應q1時，將輸出響應q1與響應待用值qn進行異或運算，所得異或運算值記為q1』
，用q1』
更新響應待用值qn，並暫存至d觸發器。當異或模塊接收到比較器的第二個輸出響應q2時，q2與響應待用值qn進行異或運算，所得異或運算值記為q2』
，用q2』
更新響應待用值qn，並暫存至d觸發器。循環上述直至n比特的輸出響應qn全部異或運算完畢，最終的異或運算值即最終響應rn。
[0040]
舉例說明：當比較器的第一個輸出響應q1為0，輸出響應q1首先與d觸發器中預設的響應待用值qn=0進行異或運算，得到異或運算值r1=0
⊕
0，用異或運算值更新響應待用值qn並儲存於d觸發器中。當比較器的第二個輸出響應q2為1，將輸出響應q2與異或運算值r1進行異或運算，得到異或運算值r2=0
⊕0⊕
1。當比較器的第三個輸出響應q3為0，將輸出響應q3與異或運算值r2進行異或運算，得到異或運算值r3=0
⊕0⊕1⊕
0。循環往復，直至n個輸出響應全部異或完畢，得到rn，rn即最終響應值。
[0041]
相比強ro puf，本技術實施例強tero puf更可靠，且對溫度和電壓的變化不敏感，同時能夠消除強ro puf存在的頻率鎖定現象從而更加安全。本技術實施例採用以上技術，使得強tero puf成為彌補強ro puf缺陷的最佳替代選項，避免了強ro puf對鎖定現象敏感而造成的安全隱患，而且穩定性也得到增強。
[0042]
注意，上述僅為本技術的較佳實施例及所運用的技術原理。本領域技術人員會理解，本技術不限於這裡所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本技術的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本技術進行了較為詳細的說明，但是本技術不僅僅限於以上實施例，在不脫離本技術的構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，均屬於本技術的保護範疇。