ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИ НЕКЛОНИРУЕМОЙ ФУНКЦИИ ТИПА АРБИТР ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ НА ПЛИС

Дмитрий А. Козин, Павел В. Некрасов, Илья А. Митяков, Никита С. Пинчук

Аннотация


Исследуется влияние различных схемотехнических решений физически не клонируемой функции (ФНФ) типа арбитр и расположение их логических блоков на параметры ФНФ. В связи с распространением и применением технологий интернета вещей (IoT) и соответственно устройств, подключённых к сотовой и интернет сети, актуальной проблемой является обеспечение безопасности и конфиденциальности доступа к данным. Следует отметить, устройства IoT требовательны к ряду параметров, таких как энергопотребление, геометрические размеры, необходимость защиты от кибератак. В качестве лёгкого, экономичного и повсеместного решения наиболее предпочтительными оказались методы аппаратной физической криптографии. Физически не клонируемые функции могут быть реализованы в различных устройствах путём проектирования их схемы на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). В статье использованы ПЛИС фирмы Xilinx семейства Zynq-7000. Данный подход даёт большую гибкость в отношении используемой архитектуры и позволяет более точно адаптировать систему к заданным требованиям. В качестве контрольно-измерительного оборудования использовались отладочные платы ПЛИС – EBAZ4205 и AntMiner_v1.0 на базе платформы XC7Z010CLG400-1 с двумя встроенными процессорными ядрами ARM Cortex-A9. Рассмотрен метод физической криптографии устройств IoT. Разработаны и реализованы конфигурационные прошивки ФНФ-арбитр с различным расположением функциональных блоков на кристалле. Проведена апробация конфигураций, показано изменение результатов в зависимости от расположения на кристалле. Ключевой задачей реализации ФНФ типа арбитр на любой аппаратной платформе является выравнивание длин линий распространения сигнала, которого можно добиться как добавлением дополнительных блоков задержки на линии, так и увеличением длины трассируемой линии сигнала. В данной работе наилучшие результаты получены при ручной трассировке и «вертикальном» расположении логических блоков схемы.

Ключевые слова


безопасность информации, физически неклонируемые функции (ФНФ), арбитр, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), аппаратная криптография.

Полный текст:

PDF

Литература


1. Hasan M. State of the IoT 2022: Number of connected IoT devices growing 18% to 14.4 billion globally. IoTAnalytics, 2022. URL: https://iot-analytics.com/number-connected-iot-devices (дата обращения: 15.02.2023).

2. JinChenglu et al. FPGA Implementation of a Cryptographically-Secure PUF Based on Learning Parity with Noise. Cryptography 1,3 (2017 December): 23. URL:http://hdl.handle.net/1721.1/113338 (дата обращения: 15.02.2023).

3. Guajardo J., Kumar S.S., Schrijen GJ., Tuyls, P. FPGA Intrinsic PUFs and Their Use for IP Protection. In: Paillier, P., Verbauwhede, I. (eds) Cryptographic Hardware and Embedded Systems - CHES 2007. CHES 2007. Lecture Notes in Computer Science, vol. 4727. Springer, Berlin, Heidelberg. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-74735-2_5.

4. Иванюк А.А., Заливако С.С. Физическая криптография и защита цифровых устройств. Доклады БГУИР. 2019;(2):50-58. URL: https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/1067 (дата обращения: 15.02.2023).

5. Ярмолик В.Н., Иванюк А.А., Шинкевич Н.Н. Физически неклонируемые функции с управляемой задержкой распространения сигналов. Информатика. 2022; 19(1):32-49.
DOI: https://doi.org/10.37661/1816-0301-2021-19-1-32-49.

6. Komurcu Giray, Ali Emre Pusane and Gunhan Dundar. A ring oscillator based puf implementation on FPGA.IU-Journal of Electrical & Electronics Engineering13 (2013): 1647–1652.
URL: https://electricajournal.org/Content/files/sayilar/65/1647-1652.pdf (дата обращения: 15.02.2023).

7. Ayat, Mehdi & Ebrahimi Atani, Reza & Mirzakuchaki, Sattar. (2011). On Design of PUF-Based Random Number Generators. International Journal of Network Security & Its Applications (IJNSA). 3.
DOI: https://doi.org/10.5121/ijnsa.2011.3303.

8. Majzoobi M. and Koushanfar F. Time-Bounded Authentication of FPGAs. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 6, no. 3, p. 1123–1135, 2011.
DOI: https://doi.org/10.1109/TIFS.2011.2131133.

9. ИванюкА.А. Синтез симметричных путей физически неклонируемой функции типа арбитр на FPGA. Информатика. 2019, т. 16, № 2, с. 99–108. – EDN: LUJKXC.

10. Суханов С.В. Анализ физически неклонируемых функций на основе элементов памяти. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 22, № 1, 2015. ISSN 2074-7136.
URL: https://bit.mephi.ru/index.php/bit/article/view/130 (дата обращения: 15.02.2023). – EDN: VHHWEN.

11. Ярмолик В.Н., Вашинко Ю.Г. Физически неклонируемые функции. Информатика. 2011, № 2, c. 92–103. URL: https://inf.grid.by/jour/article/view/370 (дата обращения: 15.02.2023).

12. Заливако С.С., Иванюк А.А. Физически неклонируемые функции. Информационные технологии и системы 2019 (ИТС 2019) = Information Teсhnologies and Systems 2019 (ITS 2019) : материалы международной научной конференции, Минск, 30 октября 2019 г. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; редкол.: Л. Ю. Шилин [и др.]. Минск, 2019, c.8–21.
URL: https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/37034 (дата обращения: 15.02.2023).

13. Бельский В.С., Чижов И.В., Чичаева А.А., Шишкин В.А. Физически неклонируемые функции в криптографии. International Journal of Open Information Technologies. 2020, № 10.
URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fizicheski-nekloniruemye-funktsii-v-kriptografii (дата обращения: 15.02.2023).

14. Aknesil C. and Dubrova E. An FPGA Implementation of 4×4 Arbiter PUF. IEEE 51st International Symposium on Multiple-Valued Logic (ISMVL), Nur-sultan, Kazakhstan. 2021, p. 160–165.
DOI: https://doi.org/10.1109/ISMVL51352.2021.00035.

15. Ярмолик Вячеслав Н.; Иванюк Александр А. Cбалансированные физически неклонируемые функции типа арбитр. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 30, № 1, с. 92–107, 2023. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.1.07. – EDN: HCUPGE.




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.2.10

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.