[发明专利]基于Camellia加密算法的软PUF

说明书

本发明公开了一种基于Camellia加密算法的软PUF，包括硬件平台，硬件平台为128位Camellia加密算法硬件电路，通过利用基于Camellia加密算法硬件电路中路径延迟偏差获取PUF响应数据，无需专用硬件开销，且在固定时钟频率下进行PUF响应的采集，避免了频率变化过程中导致的不稳定现象，另外PUF响应经过Camellia加密算法的多轮数据随机化，唯一性和随机性较高，且从Camellia加密算法硬件电路的输出中提取PUF响应采集难度低并且位数较多，安全性较强；优点是具有抗频率扰动能力，可靠性较高，且具有良好唯一性和随机性，安全性较高，有利于在信息安全领域的应用。

技术领域

本发明涉及一种软PUF，尤其是涉及一种基于Camellia加密算法的软PUF。

背景技术

随着物联网(Internet of Things,IoT)时代的到来，如何保证设备间安全通信成为关键。传统的安全措施将密钥存储在非易失性存储器(Non-volatile Memory,NVM)中，但极易受到版图逆向工程、微探测等方式攻击造成密钥泄露。物理不可克隆函数(PhysicalUnclonable Function,PUF)利用集成电路制造过程中存在的随机工艺偏差产生可以抵抗各种物理攻击的高安全性密钥，可广泛应用于设备防伪、用户认证以及集成电路知识产权(Intellectual Property,IP)核保护等场合。

传统的PUF电路依赖特殊的硬件结构产生所需的PUF响应，通常被归为硬PUF(Hardware PUF,HPUF,又称硬件PUF)类别。例如仲裁器PUF(Arbiter PUF,APUF)比较相同两条路径的延迟偏差产生PUF响应，环形振荡器PUF(Ring Oscillator PUF,RO PUF)的响应则依赖于相同振荡器的频率差异。此类型PUF在物联网领域的应用往往因为功耗和面积开销等原因受到限制。静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory,SRAM)PUF是解决上述问题的一种方式，静态随机存取存储器PUF通过提取SRAM单元内随机的上电状态产生PUF响应。由于存储器广泛存在于电子设备中，静态随机存取存储器PUF实现比较方便且无需消耗额外的硬件资源，但是其随机特征依赖上电循环，在不允许频繁断电的场合需要存储产生的响应，导致安全性降低。MScanPUF利用时序违例情况下触发器采样数据的不确定性产生PUF数据，解决了静态随机存取存储器PUF获取响应的问题，安全性较高，但是需要在原有扫描链结构上增加数据选择器，产生额外的成本。

微处理器PUF是近年来出现的一种不需要独立的硬件作为物理随机源的PUF，被归为软PUF(Software PUF,SPUF)类别。微处理器PUF根据建立时间约束条件，利用不同芯片在超频下多次执行指令的错误情况差异，设计特定的编码规则产生PUF响应，用于FPGA的安全认证。该微处理器PUF设计过程中将微处理本身的电路结构作为硬件平台，整个PUF机制可由软件程序实现，解决了仲裁器PUF、环形振荡器PUF及MScanPUF等硬件PUF需要专用硬件开销的问题，并且该微处理器PUF响应提取方式较简单，解决了静态随机存取存储器PUF需要上电循环的问题。

但是，在获取响应时，微处理器PUF需要在不同的时钟频率下多次执行相同的指令，并根据处理器指令执行失败情况设计一定的编码规则以获得对应的PUF响应。在改变时钟频率时，由于测试过程中频率可能发生小幅度的波动，导致相同指令可能在不同的时钟频率下执行，降低了可靠性。此外，该微处理器PUF在实施过程中，需要在一个频率范围内选取目标采样点数并在每个采样频率下重复执行指令。根据编码规则每个采样点只能产生2比特响应，由于响应位数较少，该微处理器PUF的破解难度较低，同时不利于芯片认证。根据实验结果，微处理器PUF的唯一性和随机性也较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有抗频率扰动能力，可靠性较高，且具有良好唯一性和随机性，安全性较高的基于Camellia加密算法的软PUF。