[发明专利]一种基于表面增强荧光效应的随机数密钥生成方法

说明书

本发明涉及一种基于表面增强荧光效应的随机数密钥生成方法，包括制备致密单层有序等离激元金属的纳米颗粒薄膜；采用去润湿法制备随机图案化的介电层，生成具有随机图案介电层的纳米颗粒薄膜复合层；在介电层上制备发光量子点层，合生成荧光复合层；荧光复合层的顶部封装有保护层，形成表面增强荧光PUF器件；对表面增强荧光PUF器件进行荧光图像采集和寿命图像采集并进行预处理，得到增强光学图像；将预处理的增强光学图像通过图像哈希算法进行频域特征提取或通过CNN网络进行特征检测和特征降维，形成随机数密钥。本发明提取表面增强荧光PUF器件的内禀熵，有效的解决了PUF器件密钥存储容量小的问题。

技术领域

本发明涉及PUF器件研究领域，具体涉及一种基于表面增强荧光效应的随机数密钥生成方法。

背景技术

现代密码学通过密码算法和密码协议将密码系统的安全性归结为密钥体系的安全性，因此密钥管理是信息安全的基础工程，其技术水平决定了整个密码系统的安全性和效益。密钥的产生和分配一直是密钥管理中的瓶颈难题。采用基于物理实体的密码技术来产生和分发密钥以降低密钥管理风险、提升安全性，是当前国际上信息安全技术发展的热点方向之一。密码技术的典型代表有量子密钥分发技术和物理不可克隆函数（physicalunclonable functions， PUF）技术。其中，PUF 具有使用方便、成本低、功耗省等特性。美国和欧洲各国已经投入大量资金来研究和开发PUF 及其在密码学和网络信息安全领域的应用技术。

借鉴人体生物特征（指纹和虹膜等）认证的思想， Pappu于2001 年提出利用硬件内在构造差异作为硬件标识的思想，并借此提出了物理不可克隆函数的概念。PUF 通过芯片制造过程中必然的工艺参数偏差或刻意引入的随机因素实现挑战信号（输入）与响应信号（输出）之间的独特函数功能。PUF 思想的根本意图是将密码学中难以实现的随机函数（理想密码函数）用物理实体进行功能实现，其应用对密码学有革命性意义。

PUF 比较成熟的应用主要有以下几个方向: (1)充当伪随机函数或者Hash 函数用于数据和实体认证。(2) 作为随机数产生器用于密钥生产。由于PUF 具有随机性，它可以用来产生随机数然后封装出各种密钥。(3) 作为密钥管理装置用于密钥分配。由于每个PUF器件唯一且不可克隆，在功能上相当于一个带“密钥”的密码算法（黑盒）。尽管合法使用方和攻击方都无法探测这个“密钥”，但拥有器件的一方可以排他性地使用黑盒功能从而实现密钥部署。(4) 作为防伪标识。PUF 器件的唯一性和不可克隆性使它天然具备防伪标识功能。

如公开号为CN110784312A，“一种PUF器件的制备方法及其密钥生成方法：公开了一种PUF器件的制备方法及其密钥生成方法，通过物质硫S、二氯化铅PbCl2、油胺OLA、甲醇、甲苯等现有廉价的基本化学物质来合成得到PbS量子点，且在合成得到PbS量子点过程中使用基本的化学实验仪器，PUF器件中PbS量子点的分布来源于纳米微粒在溶液中的布朗运动，PbS量子点的分布具有较高的唯一性和随机性，利用MATLAB软件中graythresh函数和im2bw函数将PUF器件内部PbS量子点的分布图TEM转化黑白图像，再对像素点进行识别得到初始密钥钥，对初始密钥进行冯·诺依曼处理后分组得到最终的密钥；优点是PUF器件制备原料容易获取，可以生成随机性和唯一性较高的密钥。”

现有的光学不可克隆加密均对本征材料的随机空间模式（不可克隆光学散斑或人工指纹图案）进行光学成像，理论上可以达到极高的编码容量或密钥空间尺寸。然而受普通光学组件光衍射极限的制约，PUF器件密钥存储容量均远小于1 Tbit/mm³。

因此亟需一种PUF器件制备方法以及密钥生产方法，满足密钥存储容量大、PUF器件高度随机以及鲁棒性强的使用需求。

发明内容

本发明为解决现有PUF器件密钥存储容量小的问题，提供了一种基于表面增强荧光效应的随机数密钥生成方法，通过等离激元增强荧光效应在亚衍射极限范围内表面增强荧光PUF器件具有极大的空间分布不确定性的特点，提取表面增强荧光PUF器件的内禀熵有效的解决PUF器件密钥存储容量小的问题。