17642

17642

طراحي و پياده سازي توابع تكثير ناپذير فيزيكي تركيبي بر روي FPGA

كارشناسي ارشد

الكترونيك

فروردين 1396

دكتر شهريار برادران شكوهي

برق

با توجه به رشد روز افزون كاربرد وسايل الكترونيكي در زندگي روزمره ي ما، امنيت و قابليت اطمينان آن، به يك چالش اجتماعي تبديل شده و از اهميت به سزايي برخوردار است. اين امنيت شامل احراز هويت امن، توليد كليد امنيتي و مقابله با حملات بيروني است. روش هاي امنيتي مرسوم، راه¬كارهاي مناسبي را براي رسيدن به چنين امنيتي ارائه نمي دهد. در اين روش ها، كليد امنيتي در حافظه هاي غير فرار ذخيره مي شود و از آنجايي كه اين نوع از حافظه ها در مقابل حملاتي همانند تكثير پذيري، تخمين و استخراج داده آسيب پذير است، امنيت دستگاه پايين خواهد بود. در سال هاي اخير، روش امنيتي جديدي جايگزين روش هاي مرسوم شده است. مبناي اين روش بر اساس بي نظمي فيزيكي ذاتي و منحصر به فرد اشياء است. استفاده از توابع تكثير ناپذير فيزيكي روشي است كه از گوناگوني هاي ساخت در مدار هاي مجتمع، براي احراز هويت و توليد كليد امنيتي بهره مي برد و به حافظه هاي غير فرار نيازي ندارد. اين توابع با معيارهاي عملكرد مختلفي از قبيل يكتايي و قابليت اطمينان سنجيده مي شوند. در اين تحقيق، با تركيب كردن توابع تكثيرناپذير فيزيكي با يكديگر و استفاده از مسيرهاي تاخير قابل برنامه ريزي در FPGA معيارهاي عملكرد اين توابع بهبود داده مي شوند. هدف از تركيب توابع تكثيرناپذير فيزيكي با يكديگر، بهره برداري همزمان از منابع تصادفي اين توابع است. در اين تحقيق سه طرح براي بهبود عملكرد توابع تكثير ناپذير ارائه شده است. در طرح اول، با با ارائه يك ساختار جديد براي مدار SR-Latch و استفاده از دو معماري توليد پاسخ، تعداد بيت هاي پاسخ تابع SR-Latch را با ثابت نگه داشتن سطح مصرفي تا بيش از دو برابر نسبت به روش هاي ارائه شده در تحقيقات پيشين افزايش مي دهيم. در طرح دوم با تركيب مسيرهاي تاخير قابل برنامه ريزي با مدار SR-Latch، يك تابع جديد مبتني بر اثرات گذاري نوسان كننده حلقوي وضعيت متا-پايدار مدار SR-Latch ارائه مي شود. در اين طرح، تعداد بيت‌هاي خطا 3 الي 5 بيت در بدترين شرايط محيطي است. همچنين در شرايط نامي، قابليت اطمينان آن %8/98 است كه نسبت به توابع مشابه قابليت اطمينان بيشتري دارد. در طرح سوم، توابع جديدي با استفاده از تركيب توابع پايه اندرسون، نوسان كننده حلقوي و SR-Latch پيشنهاد مي شود. همچنين، نشان مي دهيم كه توابع تركيبي پيشنهادي، باعث افزايش گوناگوني مابيني پاسخ توابع مي شود. به عنوان مثال با تركيب دو تابع اندرسون و نوسان كننده حلقوي، يكتايي تابع اندرسون از 30% به %43/48 افزايش مي يابد.

1396/04/27

1/1/1900 12:00:00 AM

With the increase of electronic device applications in our lives, security and reliability of these devices have become a social challenge and are of crucial importance. This security consists of secure authentication, reliable identification, secret key generation and protection against attacks. The conventional security approaches do not provide an effective solution to reach such a security. In these approaches, the secret are stored in a non-volatile memories. Regarding that memories are vulnerable to cloning and data extraction, using memories as a security provider may reduce the security of the system. In the last decade, the conventional approaches have been replaced by the new security methods. This new approach is based on the unique and inherent physical disorder of the electronic devices. Physically Unclonable Functions (PUFs) are promising innovative primitives that are used for authentication and secret key storage without the requirement of memories or any other hardware. These functions are eva​luated using the performance metrics such as uniqueness and reliability. In this study, the quality of PUFs are improved by combining the PUFs structures and Programmable Delay Lines. The aim of combining the PUFs structures is to use several sources of randomness to increase the randomness of the generated responses. In this study, three schemes are proposed to improve the quality of PUFs. In the first scheme, we propose a new SR-Larch circuit. We use two architectures for generating the SR-Latch PUF responses to increase the number of response bits twice than the state of the art without increasing the area cost. In the second scheme, we propose a new PUF based on the transient effect ring oscillator of the meta-stable state of the SR-latch circuit combined with two programmable delay lines. The experimental results show that only 3 to 5 bits of the 128 response bits are unsable. Also, the reliability of the second scheme is obtaind around 98.8% which is higher than the reliability of the related PUFs. In the third scheme, basic PUFs such as Anderson PUF, Ring Oscillator PUF and SR-Latch PUF are combined. We show that the proposed hybrid PUFs increase the intra-device variation of the response bits. For instance, in the case of combining the Basic RO PUF and the Anderson PUF, the uniqueness of Hybrid PUF is increased from 30% to 48.43%, without applying any pre-processing or post-processing steps.