FROPUF:从基于FPGA的震荡环PUF中提取更多的熵

作     者：李昌婷 章庆隆 刘宗斌 荆继武 LI Changting;ZHANG Qinglong;LIU Zongbin;JING Jiwu

作者机构：中国科学院信息工程研究所北京中国100093 中国科学院大学北京中国100049 

出 版 物：《信息安全学报》 (Journal of Cyber Security)

年 卷 期：2018年第3卷第1期

页      面：16-30页

核心收录：

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主　　题：PUF 振荡环 熵 高阶差分 可编程延迟线 FPGA 

摘      要：FPGA平台上基于振荡环的物理不可克隆方法(Ring Oscillator based Physically Unclonable Function,以下简称RO PUF)以其简洁的架构和优良的属性而备受青睐。但是常用的RO PUF结构只能通过比较一对振荡环的频率,从两个振荡环里提取到1比特的熵。在很多应用中,尤其是基于PUF技术的密钥生成和随机数生成中,PUF响应能够保证提供足够的熵至关重要,为此,RO PUF需要部署大量的振荡环从而会消耗更多的资源。硬件资源利用率的低下极大限制了RO PUF的应用范围,尤其是资源受限的情景。针对这个问题,我们提出了一种简洁高效的方法,通过利用可编程延迟线(Programmable Delay Line,PDL)对延迟路径的精细控制,可以从每个振荡环中提取到相当于目前最优方案6倍的熵。我们将这种新型RO PUF结构命名为深度RO PUF(Further RO PUF)。本文不仅详细介绍了如何利用从实现振荡环的查找表(Look Up Table,LUT)中推导出的潜在随机变量,还展示更深层的制造差异变量是如何通过类似于高阶差分算法来提取的。除此之外,我们还建立了模型进行仿真并在Xilinx Virtex-6和Zynq-7000系列评估板上进行了实验,通过展示仿真和实验结果的一致性来证明我们所提出方法的有效性和正确性。