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基于敏感度混淆机制的控制型物理不可克隆函数研究

徐金甫 吴缙 李军伟 曲彤洲 董永兴

徐金甫, 吴缙, 李军伟, 曲彤洲, 董永兴. 基于敏感度混淆机制的控制型物理不可克隆函数研究[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(7): 1601-1609. doi: 10.11999/JEIT180775
引用本文: 徐金甫, 吴缙, 李军伟, 曲彤洲, 董永兴. 基于敏感度混淆机制的控制型物理不可克隆函数研究[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(7): 1601-1609. doi: 10.11999/JEIT180775
Jinfu XU, Jin WU, Junwei LI, Tongzhou QU, Yongxing DONG. Controlled Physical Unclonable Function Research Based on Sensitivity Confusion Mechanism[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(7): 1601-1609. doi: 10.11999/JEIT180775
Citation: Jinfu XU, Jin WU, Junwei LI, Tongzhou QU, Yongxing DONG. Controlled Physical Unclonable Function Research Based on Sensitivity Confusion Mechanism[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(7): 1601-1609. doi: 10.11999/JEIT180775

基于敏感度混淆机制的控制型物理不可克隆函数研究

doi: 10.11999/JEIT180775
详细信息
    作者简介:

    徐金甫:男,1965年生,教授,硕士生导师,研究方向为专用集成电路设计技术

    吴缙:男,1994年生,硕士生,研究方向为专用集成电路设计技术

    李军伟:男,1988年生,讲师,研究方向为安全芯片设计

    曲彤洲:男,1994年生,硕士生,研究方向为可重构计算与信息安全

    董永兴:男,1994年生,硕士生,研究方向为专用集成电路设计技术

    通讯作者:

    吴缙 woshi57890@163.com

  • 中图分类号: TP331

Controlled Physical Unclonable Function Research Based on Sensitivity Confusion Mechanism

  • 摘要: 为了克服物理不可克隆函数(PUF)面对建模攻击的脆弱性,该文提出一种基于敏感度混淆机制的控制型PUF架构。根据PUF的布尔函数定义及Walsh谱理论,推导出各个激励位具有不同敏感度,分析并归纳了与混淆值位宽奇偶性有关的位置选取规则。利用该规则指导了多位宽混淆算法(MWCA)的设计,构建了具有高安全性的控制型PUF架构。将基础PUF结构作为控制型PUF的防护对象进行实验评估,发现基于敏感度混淆机制的控制型PUF所产生的响应具有较好的随机性。采用逻辑回归算法对不同PUF结构进行建模攻击,实验结果表明,相比基本ROPUF、仲裁器PUF以及基于随机混淆机制的OB-PUF,基于敏感度混淆机制的控制型PUF能够显著提高PUF的抗建模攻击能力。
  • 图  1  控制型PUF架构

    图  2  敏感度测量结果

    图  3  ${N_{{\rm{OB}}}} = {\rm{2}}$时概率期望${E_{\Pr }}\left( {\rm{{Aa,Ta,Sa}}} \right)$的分布图

    图  4  ${N_{{\rm{OB}}}} = {\rm{3}}$时概率期望${E_{\Pr }}\left( {\rm{{Aa,Ta,Sa}}} \right)$的分布图

    图  5  基于敏感度混淆机制的控制型PUF架构

    图  6  基于APUF的混淆值产生模块

    图  7  控制型PUF响应的汉明距离频率分布图

    图  8  不同PUF结构的建模攻击结果

    表  1  ${N_{{\rm{OB}}}} = {\rm{1}},2,{\rm{3}},{\rm{4}}$时混淆值位置选择所有组合情况

    NOB (Aa,Ta,Sa)
    1 (1,0,0);(0,1,0);(0,0,1)
    2 (1,1,0);(1,0,1);(0,1,1);(2,0,0);(0,2,0);(0,0,2)
    3 (1,1,1);(2,1,0);(2,0,1);(1,2,0);(0,2,1);(1,0,2);(0,1,2);
    (3,0,0);(0,3,0);(0,0,3)
    4 (2,1,1);(1,2,1);(1,1,2);(2,2,0);(2,0,2);(0,2,2);(3,1,0);(3,0,1);
    (1,3,0);(0,3,1);(1,0,3);(0,1,3);(4,0,0);(0,4,0);(0,0,4)
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    表  2  MWCA的具体算法

     输入:混淆激励集合${C_{\rm OB}} = \left\{ {c_{\rm OB}^k|k \in \left\{ {1,2, ·\!·\!· ,\sum\nolimits_{i = 1}^t {{2^{N - i}}} } \right\}} \right\}; $
        混淆值集合$Y = \left\{ {{y_k}|k \in \left\{ {1,2, ·\!·\!· ,\sum\nolimits_{i = 1}^t {{2^{N - i}}} } \right\}} \right\} $
     过程:
     $(1)\;{\rm for}\;\forall k \in \left\{ {1,2, ·\!·\!· ,\sum\nolimits_{i = 1}^t {{2^{N - i}}} } \right\}{\rm do} $
     $(2)\;{\text{输入混淆激励集合}}c_{\rm OB}^k = \left\{ {{c_1},{c_2}, ·\!·\!· ,{c_t}} \right\}\text{、}\ {\text{混淆值}}{y_k}{\text{和标识值}}{a_k} ; $
     $(3)\;{\rm if}\;{a_k} = 1\;{\rm then} $
     $(4)\;{\text{调用位置选择策略}}{P_k} ;{\text{产生完整激励}}{C_k}{\rm{ = }}{P_k}(c_{{\rm{OB}}}^k,{y_k}) ;{\rm return} $
     $(5)\;{\rm else} $
     $(6)\;{\text{计算}}{{ r = ({N} - t) }}\% 2 ; $
     $(7)\;\rm end\;if$
     $(8)\;{\rm if}\;r = 0\;{\rm then}$
     $(9)\;{\text{调用偶数规则}}{\rm{Rule}}\_{\rm E},{\text{生成位置选择策略}}{P_k},{a_k} = 1;$
     $(10)\;\rm else $
     $(11)\;{\text{调用奇数规则}}{\rm{Rule}}\_{\rm O},{\text{生成位置选择策略}}{P_k},{a_k} = 1;$
     $(12)\;\rm end\;if $
     $(13)\;{\text{存储标识值}}{a_k}{\text{和策略}}{P_k} ,{\text{用于之后激励混淆步骤的判断依据}} ;$
     (14) 按照策略将混淆值插入混淆激励$c_{{\rm{OB}}}^k,$产生完整激励
    ${C_k}{\rm{ = }}{P_k}(c_{{\rm{OB}}}^k,{y_k}) ;\rm return$
     $ (15) \;\rm end\;for$
     输出:完整激励集合${C_f} = {\rm{\{ }}{C_k}|k \in {\rm{\{ }}1,2, ·\!·\!· ,\sum\nolimits_{i = 1}^t {{2^{N - i}}} {\rm{\} \} }}。$
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    表  3  可靠性和唯一性指标对比结果

    PUF结构 基本ROPUF[10] LR-PUF[5] OB-PUF[6] 本文
    Ps(%) 49.97 ≈50 47.31 51.24
    Pd(%) 1.59 2 0.86 1.56
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    表  4  NIST随机数测试结果

    测试项目 基本ROPUF[10] 本文
    P_value 结果 P_value 结果
    频率检验 0.000003 失败 0.829896 通过
    块内频数检验 0.050764 通过 0.580358 通过
    向前累加和检验 0.000000 失败 0.502594 通过
    向后累加和检验 0.000000 失败 0.347179 通过
    游程检验 0.302788 通过 0.329404 通过
    块内最长游程检验 0.000062 失败 0.024892 通过
    近似熵检验 0.000001 失败 0.693147 通过
    向前序列检验 0.070160 通过 0.024892 通过
    向后序列检验 0.192277 通过 0.756264 通过
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    表  5  不同PUF结构的攻击结果对比

    PUF类型 训练集数量 攻击时间(s) 预测成功率(%)
    OB-PUF(1) 4400 26 87.6
    OB-PUF(2) 5200 30 84.4
    OB-PUF(3) 6000 62 73.1
    OB-PUF(4) 8000 128 69.8
    基本ROPUF 5200 8 99.5
    控制型ROPUF 7200 262 53.4
    仲裁器PUF 4800 15 93.9
    控制型APUF 6500 187 67.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-06
  • 修回日期:  2019-02-11
  • 网络出版日期:  2019-03-23
  • 刊出日期:  2019-07-01

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