[发明专利]一种基于全数字物理不可克隆技术的温度传感器

说明书

一种基于全数字物理不可克隆技术的温度传感器，基于可重构RO PUF中自由运行RO对温度变化产生的振荡频率的相应变化，检测环境温度；包括N位LFSR、N位可重构RO、第一计数器、第二计数器和数据选择器；温度传感器工作过程包括温度测量阶段和温度散列阶段，采用的认证协议包括注册阶段算法和验证阶段算法；解决了现有技术数智能温度传感器均采用全手工制作的关键组件进行全定制设计，不能直接跨技术节点移植的问题，本发明的基于PUF的温度传感器是全数字化，反相器的延迟表现出与温度正相关的依赖关系；仅使用标准逻辑单元和简单的结构，容易扩展和设计为可重复使用的IP内核，以便无缝集成到完整的遥测系统。

技术领域

本发明涉及一种安全、高效、节能的遥感和遥测的安全通信的交钥匙解决方案，特别是涉及一种低成本物理不可克隆功能(PUF)温度传感器，属于遥感技术领域。

背景技术

智能温度传感器和低成本温度遥测系统蓬勃发展，利用物联网(IoT)设备和通信的远程温度传感涵盖了广泛的新应用，从工业温度监测到智能家居，智能车辆，虚拟现实，电子健康等等。由于温度传感器是分布式网络的节点，感测到的温度有时是敏感或保密的，我们希望传感器能提供一定的可信度。而且，由于物联网中的智能温度传感器本质上是资源受限的，并且通常远程部署在开放区域，因此攻击者更容易篡改设备以执行欺诈性攻击。

已经有人提出基于物理不可克隆技术(PUF)的感测方案来以轻量级方式验证物理感测设备，而不需要本地保护任何密钥。PUF是一种可以直接利用由不可控和不可预知的器件制造工艺变化引起的参数不匹配，从而生成器件的可靠和独特的数字指纹的电路。它的潜在的激励——响应生成机制可以扩展到将物理感知量与“见证对象”联系起来，以提供虚拟的现实证据，这个概念在[中首次被提出。

在过去的十五年中，许多PUF被广泛地提出并用作设备认证/识别，密钥管理和设备仿造中的轻量但安全的密码学原语。它实质上是生物识别技术向物理对象的延伸。具体而言，PUF显示了密码缩减无法获得的特性，但需要物理基础来建立它们，最值得注意的是物理不可克隆性。它从芯片制造中固有的无法预测的和不可控制的工艺变化中提取独特的数字签名。PUF电路的输入和输出通常分别称为激励和响应。激励和响应对(CRP)的映射对于每个PUF芯片是唯一的。与将参考密钥存储在非易失性存储器中不同，PUF将秘密保存到其固有结构中。任何侵入性或半侵袭性攻击都可能影响在注册阶段激励——响应对的生成，导致与芯片原始物理结构的微小的不匹配。因此，攻击者获得的密钥将无效。从这个角度来看，PUF也具有篡改意识，因为被篡改的芯片将不再被认证。

RO PUF是一种流行的PUF，与许多其他基于延迟的PUF相比，它已经被证明更加强大并且布局受限更少。基本RO PUF架构由2个n位多路复用器，2个频率计数器，1个比较器和n个RO组成。每个RO在反馈环路中包含奇数个反相器。由于工艺不同，PUF中的每个RO可以以略微不同的振荡频率来表征。

激励是用于多路复用器来选择一对环形振荡器来比较它们的振荡频率。输出为0或1，具体取决于哪个RO具有较高的振荡频率。RO PUF是易于FPGA实现的，因为它对RO的输出到计数器的路由距离不太敏感。高可靠性也可以通过允许RO较长时间“振铃”来放大小的频率差来存档。

传感器PUF的与传统的PUF不同之处在于除了二进制激励之外，它引入了额外的输入，这是一种被感知的物理量。传感器PUF可以表示为黑箱函数，输出响应R由下式给出：

R＝PUF(C,P)

其中C是激励。P是可由PUF内的相应电路间接且安全地感测的物理量。传感器及其传感数据都可以通过证明者和验证者之间类似的激励——响应协议来同时进行验证，就像正常的PUF一样。

RO的振荡频率与每个逆变器级的传播延迟td成反比。td的一阶估计可以表示为[24]：