ФИЗИЧЕСКИ НЕКЛОНИРУЕМЫЕ ФУНКЦИИ НА БАЗЕ УПРАВЛЯЕМОГО КОЛЬЦЕВОГО ОСЦИЛЛЯТОРА

Александр А. Иванюк, Вячеслав Н. Ярмолик

Аннотация


Решается задача построения нового класса физически неклонируемых функций (ФНФ) на базе управляемого кольцевого осциллятора (УКО). Актуальность создания УКОФНФ связана с активным развитием физической криптографии, применяемой для целей идентификации электронных изделий и формирования криптографических ключей. Показано, что классические физически неклонируемые функции на основе кольцевых осцилляторов (КОФНФ) характеризуются большой аппаратурной избыточностью из-за необходимости реализовывать большое число КО, в силу того что, каждый бит ответа требует наличия независимой пары реальных КО. В тоже время КОФНФ характеризуются лучшими статистическими свойствами по сравнению с ФНФ типа арбитр и не требуют обеспечения идеальной симметричности и идентичности реализуемых КО. В качестве альтернативы КОФНФ предлагается новый класс физически неклонируемых функций, а именно УКОФНФ, использующий управляемые кольцевые осцилляторы, основанные на управлении частотой формируемых импульсов без изменения функциональности и структуры осциллятора. Важным достоинством УКО является возможность реализации на его основе множества КО, количество которых достигает 2m, где m есть количество разрядов осциллятора, и каждый из них определяется подаваемым запросом. В статье рассматриваются три альтернативных структуры предлагаемых ФНФ, а именно УКОФНФ1, УКОФНФ2 и УКОФНФ3. Показываются их основные достоинства и недостатки, в том числе, в случае двух вариантов реализации, а именно на программированной логике (FPGA) и произвольной логике (ASIC). В качестве базового варианта для реализации на FPGA рассматривается УКОФНФ2 менее подверженный межкристальной и, что более важно, внутрикристальной зависимости, вызванной технологическими особенностями производственного процесса. Практические исследования проводились путем реализации на современных FPGA УКОФНФ2, оценки ее работоспособности и основных ее характеристик. Экспериментально подтверждена работоспособность нового класса ФНФ при их реализации на программируемой логике, а также высокие показатели их основных статистических характеристик.  


Ключевые слова


физически неклонируемые функции, кольцевой осциллятор, физически неклонируемые функции, основанные на кольцевых осцилляторах, идентификация электронных изделий, стабильность, уникальность, единообразие.

Полный текст:

PDF

Литература


1. Rührmair U., Busch H., Katzenbeisser S. Strong PUFs: models, constructions, and security proofs. Towards Hardware-Intrinsic Security. Editors: A.-R. Sadeghi, D. Naccache. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2010, p. 79–96. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-14452-3.

2. Дураковский Анатолий П.; Кессаринский Леонид Н.; Ширин Алексей О. Маркировка и проверка подлинности изделий микроэлектроники на основе неклонируемости радиационного поведения. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 27, № 3, с. 18–25, 2020. ISSN 2074-7136.
DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2020.3.02. – EDN OJDTLM.

3. Lim D., Lee J.W., Gassend B., Suh T.G., Dijk M.V., Devadas S. Extracting secret keys from integrated circuits. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 13, no. 10, p. 1200-1205, Oct. 2005 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TVLSI.2005.859470.

4. Lee J.W., Lim D., Gassend B., Suh T.G., Dijk M.V., Devadas S. A technique to build a secret key in integrated circuits for identification and authentication applications. Symposium on VLSI Circuits. Digest of Technical Papers (IEEE Cat. No.04CH37525), Honolulu, HI, USA, 2004, p. 176–179.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/VLSIC.2004.1346548.

5. Ярмолик В.Н., Вашинко Ю.Г. Физически неклонируемые функции. Информатика. 2011, т. 30, № 2,
с. 92–103. – EDN RBYGUD.

6. Böhm C., Hofer M. Physical Unclonable Functions in Theory and Practice. N. Y.: Springer Science + Business Media, 2013. – 278 p. DOI: http://dx.doi.org/.1007/978-1-4614-5040-5_10.

7. Ярмолик Вячеслав Н.; Иванюк Александр А. Сбалансированные 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.

8. Ярмолик В.Н., Иванюк А.А. Двухмерные физически неклонируемые функции типа арбитр. Информатика. 2023, т. 20, № 1, с. 7–26. DOI: https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-1-7-26.

9. Morozov S., Maiti A., Schaumont P. (March 2010) An Analysis of Delay Based PUF Implementations on FPGA. In: Sirisuk, P., Morgan, F., El-Ghazawi, T., Amano, H. (eds) Reconfigurable Computing: Architectures, Tools and Applications. ARC 2010. Lecture Notes in Computer Science, vol 5992. Springer, Berlin, Heidelberg.
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-12133-3_37.

10. Ярмолик В.Н., Иванюк А.А. Физически неклонируемые функции типа арбитр с заведомо асимметричными парами путей. Доклады БГУИР. 2022, т. 20, № 4, с. 71–79.
DOI: https://doi.org/10.35596/1729-7648-2022-20-4-71-79.

11. Qu G., Yin C.-E. Temperature-aware cooperative ring oscillator PUF. IEEE International Workshop on Hardware-Oriented Security and Trust, San Francisco, CA, USA, 2009, p. 36–42.
DOI: https://doi.org/10.1109/HST.2009.5225055.

12. Ярмолик В.Н., Иванюк А.А., Шинкевич Н.Н. Физически неклонируемые функции с управляемой задержкой распространения сигналов. Информатика. 2022, т. 19, № 1, с. 32–49.
DOI: https://doi.org/10.37661/1816-0301-2022-19-1-32-49.

13. Maiti A., Schaumont P. Improving the quality of a Physical Unclonable Function using configurable Ring Oscillators. International Conference on Field Programmable Logic and Applications, Prague, Czech Republic. 2009, p. 703–707.
DOI: https://doi.org/10.1109/FPL.2009.5272361.

14. Xin X., Kaps J.-P., Gaj K. A Configurable Ring-Oscillator-Based PUF for Xilinx FPGAs. 14th Euromicro Conference on Digital System Design, Oulu, Finland. 2011, p. 651–657.
DOI: https://doi.org/10.1109/DSD.2011.88.

15. Deng D., Hou S., Wang Z. Guo Y. Configurable Ring Oscillator PUF Using Hybrid Logic Gates. IEEE Access, vol. 8, p. 161427–161437, 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3021205.

16. Liu W., Zhang L., Zhang Z., Gu C., Wang C., O'neill M., Lombardi F. 2019. XOR-Based Low-Cost Reconfigurable PUFs for IoT Security. ACM Trans. Embed. Comput. Syst. 18, 3, Article 25 (May 2019), 21 p. DOI: https://doi.org/10.1145/3274666.

17. Hoare C. A. R. Algorithm 64: Quicksort. Communications of the ACM. 1961, vol. 4, no. 7, p. 321.
DOI: https://doi.org/10.1145/366622.366644.

18. Bentley J.L., McIlroy M.D. Engineering a sort functions. Software-Practice and Experience. 1993, vol. 23, no. 11, p. 1249–1265. DOI: https://doi.org/10.1002/spe.4380231105.

19. Ogasahara Y., HoriY., Katashita T., Iizuka T., Awano H., Ikeda M., Koike H. Implementation of pseudo-linear feedback shift register-based physical unclonable functions on silicon and sufficient Challenge – Response pair acquisition using Built-In Self-Test before shipping. Integration. 2020, vol. 71, p. 144–153.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.vlsi.2019.12.

20. Hori Y., Kang H., Katashita T., Satoh A. (Nov. 2011) Pseudo-LFSR PUF: A Compact, Efficient and Reliable Physical Unclonable Function. International Conference on Reconfigurable Computing and FPGAs, Cancun, Mexico. 2011, p. 223–228.
DOI: https://doi.org/10.1109/ReConFig.2011.72.

21. Ogasahara Y., Hori Y., Koike H., (May 2016), May. Implementation of pseudo linear feedback shift register physical unclonable function on silicon. IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Montreal, QC, Canada. 2016, p. 758–761. DOI: https://doi.org/10.1109/ISCAS.2016.7527351.




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.3.06

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


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