[发明专利]一种基于时钟分布网络的物理不可克隆函数生成方法

说明书

本发明提供一种基于时钟分布网络的物理不可克隆函数生成方法，该发明将时钟分布网络划分成若干个空间上相邻的时钟网格，分别在相邻网格中选取邻近的时钟叶节点或寄存器并连接到分布在网格边界上的相位比较器PC。通过调整互联延迟，时钟叶节点到达相位比较器PC的相位差被抑制在很小的范围内。其次，相位比较比较器PC内涵相位混叠器PI和相位比较器PD，对输出源信号进行处理后输出相位先后顺序作为单个bit的PUF输出。

技术领域

本发明涉及信息安全领域，更具体地，涉及一种基于时钟分布网络的物理不可克隆函数生成方法。

背景技术

PUF字面意义为物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function)，从定义可以知道，首先PUF必须作为硬件实现，其次可以作为函数功能实现。函数的定义可以分成三个层面：

1)输入(定义为激励，challenge)x∈X，输出(定义为响应，response)y∈Y，其中x为n-bit的二进制序列，y为m-bit的二进制序列。单个激励和响应可以用一组激励响应对CRP(x,y)表示；此条定义说明无论内部的工作机制如何，PUF是数字化的输入和输出，而不是模拟状态的信号。

2)PUF负责从x到y的映射，定义为Γ:X→Y:Γ(x)＝y；对于单个PUF设备，在允许一定错误率的前提下，输入激励x对应的映射后输出y是唯一的；此条定义确定了映射的唯一性。

3)CRP(x,y)由PUF设备之间的硬件实现差异决定。对于不同的PUF设备，输入激励x对应的映射后输出响应y也不同。硬件实现差异非常微妙，尤其是在集成电路制造中，指的是提交给芯片制造商的版图掩模数据是完全相同的情况下，依旧存在着程度非常小的硬件实现差异。PUF所需要做的是发现并利用这些差异，对其进行放大、整理、数字化，使制造出的硬件集合的响应集Y有足够大的差异度。

理想的PUF应该有如下特点：

1)唯一性Uniqueness。首先，对于不同的PUF设备，其输出响应y也不同，这一特点至关重要，对于PUF在认证和签名方面的应用起着决定性的作用；PUF设备i所代表的映射Γ_i:X→Y:Γ_i(x)＝y中包含了特定设备i的物理信息；PUF设备之间的硬件差异对CRP(x,y)的影响可以用不同设备之间响应对CRP(x,y)的汉明距离(定义为HDinter)进行检验。

假设有两个不同的PUF硬件设备，这里假设其为i和j，且有(i≠j)，对于激励C，有m-bit的响应R_i和R_j，那么k个设备的平均HD_inter可以计算如下：

2)可靠性Reliability。有些文献中也称为正确性Correctness。对于单个的PUF，具有足够强的稳定性Stability。首先，对于同一个设备而言，同样的激励x在相同的工作条件下响应y是一致的，这是PUF与伪随机数发生器PRNG的本质区别。其次，在不同工作条件下得到的响应也应该是一致的，并可以用HDintra来衡量。其定义如下，首先对于一般工作条件下对于激励C，取得参考映射R。对于同样的激励C，让PUF对其进行多次映射，那么就有相应的m-bit响应输出R′_i,t，采样n次之后，平均HD_intra计算如下：

Reliability＝1|HD_intra,avg

3)一致性Uniformity。在足够大的样本空间内输出激励y中，0和1所占的几率均等，理想均值等于0.5；如果不然，证明该设备的输出概率随机性存在一定问题。首先定义r_i,l为设备i的m-bit输出响应中的第l个二进制bit位，那么m-bit输出响应的汉明重量Hamming Weight计算如下：