亚太经合组织 主动和被动电子元件 1563 - 5031 0882 - 7516 Hindawi 10.1155 / 2017/4070589 4070589 研究文章 为物联网安全设计阻抗失配物理Unclonable功能 郑 小民 1 http://orcid.org/0000 - 0003 - 1132 - 6332 张 Yuejun 1 张 Jiaweng 1 胡 麒 1 口 Sourabh 电路与系统研究所 宁波大学 奉化路818号 宁波315211年 中国 nbu.edu.cn 2017年 24 01 2017年 2017年 21 07年 2016年 14 11 2016年 27 12 2016年 24 01 2017年 2017年 版权©2017小民郑et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

我们提出一种新的设计,物理Unclonable函数(PUF)计划,为物联网(物联网),已遭受的多层次安全威胁。随着越来越多的对象物联网网络互连,每一件事情的身份是非常重要的。每个对象进行身份验证,我们设计一个阻抗失配PUF,利用随机传输线来生成一个安全的物理因素独特的私钥。传输线的特性阻抗和信号传输理论的印刷电路板(PCB)也详细分析了。提高可靠性、电流反馈放大器(CFA)方法应用于PUF。最后,该方案实现和测试。测量结果表明,阻抗失配PUF提供更好的不可预见性和随机性。

 中国国家自然科学基金 61404076 61474068 61274132 浙江省自然科学基金 LQ14F040001 浙江省科学技术厅的科技计划 2015年c31010 中国星火计划 2015年ga701053 宁波自然科学基金 2014年a610148 2015年a610107 1。介绍</t我tle> <p>物联网是一个动态的实体,生活使事情通过网络交换信息和通信的物理终端设备、人类、智能建筑等(<xref ref-type="bibr" rid="B1"> 1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B2"> 2</xref>]。物联网可以提高效率、精度和经济效益,但也具有巨大的安全风险。一些报道预测,它将花费5.47亿美元在2018年物联网安全,将涉及到超过25%的识别攻击企业到2020年(<xref ref-type="bibr" rid="B3"> 3</xref>]。一些可能的物联网概述在图的威胁<xref ref-type="fig" rid="fig1"> 1</xref>。</p> <fig id="fig1"> <label>图1</label> <p>物联网的威胁模型。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.001"></graphic> </fig> <p>根据(<xref ref-type="bibr" rid="B4"> 4</xref>),物联网的缺点是无处不在,工业间谍发现它容易攻击的目标。同时,隐私是另一个关注的重要领域。网络罪犯可以恢复个人信息,这可能是驻留在物联网网络。此外,随着越来越多的对象连接到今天的物联网网络,每台设备的物理安全是大大减少。攻击者可以添加各种各样的风险场景控制系统或功能改变,如阅读、拦截或修改数据(<xref ref-type="bibr" rid="B5"> 5</xref>]。要解决这些问题,有一些方法来增加对物联网的安全网络安全工具的帮助下,如身份(ID)认证、数据加密/解密,代码混淆。</p> <p>建立一个安全、安全物联网,是非常重要的,每一件事情的身份进行验证。这是一个巨大的挑战,但幸运的是有一种方法可以充分利用每个事情的唯一标识符通过身体Unclonable函数(PUF)技术(<xref ref-type="bibr" rid="B6"> 6</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B7"> 7</xref>]。PUF生成一个惟一的标识符通过利用随机物理因素介绍了半导体制造过程。PUF电路有独特的属性,随机性,unclonability [<xref ref-type="bibr" rid="B8"> 8</xref>- - - - - -<xref ref-type="bibr" rid="B12"> 12</xref>]。上述特性使PUF电路的有效防御入侵攻击,包括各种各样的攻击模式。印刷电路板(PCB)是物联网的重要硬件载体之一。在PCB的供应链,恶意用户可能会使假冒PCB来自各种来源,如直接克隆,生产过剩和回收。事实上,模仿PCB质量差,可靠性和性能等问题。假的多氯联苯的扩散和意外的增加报告,董事会层面的问题特征识别技术变得越来越重要。在这项工作中,我们提出一个阻抗失配PUF,生成一个安全一直是独特的私钥验证每一件事情在一个物联网网络。根据输电线路的特点和信号传输理论、阻抗失配会引起传输信号来反映,特别是在高频场景。拟议的PUF电路将提高物联网的董事会层面的安全。</p> <p>本文的组织结构如下:总结了现有的身体Unclonable功能电路部分<xref ref-type="sec" rid="sec2"> 2</xref>。输电线路的阻抗失配效应在节中有详细描述<xref ref-type="sec" rid="sec3"> 3</xref>。物联网安全PUF的设计方法提出了部分<xref ref-type="sec" rid="sec4"> 4</xref>。一些实验结果进行了分析<xref ref-type="sec" rid="sec5"> 5</xref>。这个工作是结论部分<xref ref-type="sec" rid="sec6"> 6</xref>。</p> </sec> <sec id="sec2"> <title>2。身体Unclonable功能</t我tle> <p>SRAM PUF [<xref ref-type="bibr" rid="B8"> 8</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B9"> 9</xref>PUF[]和仲裁者<xref ref-type="bibr" rid="B11"> 11</xref>- - - - - -<xref ref-type="bibr" rid="B15"> 13</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B13"> 15</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B14"> 16</xref>)是两种典型的PUF电路。SRAM-PUF电路是通过生产过程,介绍了一种带有偏见的数字信号在一个集成电路。如图<xref ref-type="fig" rid="fig2"> 2</xref>,SRAM-PUF细胞由交叉耦合的逆变器和T1和T2传输晶体管。SRAM-PUF电路细胞生成一个逻辑层面上,这是由随机过程偏差阈值<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M1"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> V</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal"> t</米米l:mi> <mml:mi mathvariant="normal"> h</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>的交叉耦合的逆变器。SRAM-PUF电路的函数关系很容易影响到电源电压、温度、老化等因素(<xref ref-type="bibr" rid="B10"> 10</xref>]。输出值的稳定性问题。</p> <fig id="fig2"> <label>图2</label> <p>物理Unclonable功能电路。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.002"></graphic> </fig> <p>仲裁者PUF电路(<xref ref-type="bibr" rid="B11"> 11</xref>- - - - - -<xref ref-type="bibr" rid="B15"> 13</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B13"> 15</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B14"> 16</xref>)是由延迟单元和仲裁者电路,如图<xref ref-type="fig" rid="fig2"> 2</xref>。延迟单元由两个延迟路径和开关组件。当左边的输入电路的经验低水平高水平信号上升,沿着两条路径输入信号将转达了,每个后数据选择器的信号使两种路径选择,由控制信号<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M2"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> b</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> 我</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>。如果有<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M3"> <mml:mrow> <mml:mi> 米</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>数据选择器,这是一个信号<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M4"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> 米</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>不同的传输模式。如果不同的信号传输通过两个延迟路径的仲裁者有时差,上端的输出信号的数据选择器将输出一个信号仲裁者”1。“否则,仲裁者的输出信号是“0。“因此,仲裁员的输出信号是由优先级信号到达。仲裁者PUF电路识别模型的攻击(<xref ref-type="bibr" rid="B16"> 17</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B17"> 18</xref>]。</p> </sec> <sec id="sec3"> <title>3所示。阻抗失配效应</t我tle> <p>特性阻抗的定义的比例是传输线上电压振幅和当前值。最重要的特性阻抗的物理因素是输电线路的几何和材料。它不依赖于传输线的长度。与负载阻抗匹配条件下,信号传输线传送长遥远没有反射(<xref ref-type="bibr" rid="B18"> 19</xref>]。如果传输线的阻抗与负载阻抗不匹配,它会传递损失和产生反射。阻抗失配现象意味着阻抗的传输线特性阻抗的不同,将反射和传输信号相反的方向(<xref ref-type="bibr" rid="B19"> 20.</xref>]。如果传输线的阻抗与负载阻抗匹配,电压信号产生积极的反映,和电流信号产生负反射(<xref ref-type="bibr" rid="B20"> 21</xref>]。另一方面,当负载阻抗小于特性阻抗、电压信号产生消极的反映,和当前信号产生积极的反映。</p> <p>有两种类型的输电线路在PCB板上,微带和带状线(如图<xref ref-type="fig" rid="fig3"> 3</xref>)。微带的阻抗计算公式如下所示(<xref ref-type="bibr" rid="B21"> 22</xref>]:<disp-formula> <mml:math display="block" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M5"> <mml:mtable> <mml:mlabeledtr id="EEq1"> <mml:mtd> <mml:mtext> (1)</米米l:mtext> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mi> Z</米米l:mi> <mml:mo> =</米米l:mo> <mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 87.0</米米l:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> ε</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> r</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo> +</米米l:mo> <mml:mn mathvariant="normal"> 1.41</米米l:mn> </mml:msqrt> </mml:mrow> </mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal"> ln</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mo> ⁡</米米l:mo> <mml:mrow> <mml:mfenced separators="|"> <mml:mrow> <mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 5.98</米米l:mn> <mml:mi> h</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 0.8</米米l:mn> <mml:mi> w</米米l:mi> <mml:mo> +</米米l:mo> <mml:mi> t</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:mfrac> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mo> 。</米米l:mo> </mml:mtd> </mml:mlabeledtr> </mml:mtable> </mml:math> </disp-formula>其中,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M6"> <mml:mrow> <mml:mi> Z</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>特性阻抗,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M7"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> ε</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> r</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>相对介电常数,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M8"> <mml:mrow> <mml:mi> h</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>是中等线厚度(mil),<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M9"> <mml:mrow> <mml:mi> w</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>线的宽度(mil),<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M10"> <mml:mrow> <mml:mi> t</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>是线的厚度(1盎司= 1.5毫升)。在(<xref ref-type="disp-formula" rid="EEq1"> 1</xref>),相对介电常数<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M11"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> ε</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> r</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>1至15;的比例<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M12"> <mml:mi> w</米米l:mi> <mml:mo> /</米米l:mo> <mml:mi> h</米米l:mi> </mml:math> </inline-formula>1至15;地线的宽度超过7倍信号的宽度。带状线的阻抗计算公式如下所示(<xref ref-type="bibr" rid="B22"> 23</xref>]:<disp-formula> <mml:math display="block" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M13"> <mml:mtable> <mml:mlabeledtr id="EEq2"> <mml:mtd> <mml:mtext> (2)</米米l:mtext> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> Z</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 0</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo> =</米米l:mo> <mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 87年</米米l:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> ε</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> r</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:msqrt> </mml:mrow> </mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal"> ln</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mo> ⁡</米米l:mo> <mml:mrow> <mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 4</米米l:mn> <mml:mi> h</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 067年</米米l:mn> <mml:mi> π</米米l:mi> <mml:mfenced separators="" open="(" close=")"> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 0.8</米米l:mn> <mml:mi> w</米米l:mi> <mml:mo> +</米米l:mo> <mml:mi> t</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mrow> </mml:mfrac> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mo> 。</米米l:mo> </mml:mtd> </mml:mlabeledtr> </mml:mtable> </mml:math> </disp-formula>在(<xref ref-type="disp-formula" rid="EEq2"> 2</xref>),<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M14"> <mml:mi> w</米米l:mi> <mml:mo> ≈</米米l:mo> <mml:mi> h</米米l:mi> <mml:mo> <</米米l:mo> <mml:mn> 0.35</米米l:mn> </mml:math> </inline-formula>;相对介电常数<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M15"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> ε</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> r</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>1至15;地线的宽度超过7倍信号的宽度。从公式(<xref ref-type="disp-formula" rid="EEq1"> 1</xref>)和(<xref ref-type="disp-formula" rid="EEq2"> 2</xref>),众所周知,宽度、厚度和介电常数确定阻抗。文献[<xref ref-type="bibr" rid="B23"> 24</xref>)表明,线的长度,垫的厚度,地线的路径,和其他附近的电线也会影响传输线的特性阻抗,尤其是在高速数据传输。</p> <fig id="fig3"> <label>图3</label> <p>微带线和带状线。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.003"></graphic> </fig> <p>截止频率的计算公式如下所示(<xref ref-type="bibr" rid="B24"> 25</xref>]:<disp-formula> <mml:math display="block" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M16"> <mml:mtable> <mml:mlabeledtr id="EEq3"> <mml:mtd> <mml:mtext> (3)</米米l:mtext> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> f</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext> 截止</米米l:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo> =</米米l:mo> <mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 1</米米l:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn mathvariant="normal"> 2</米米l:mn> <mml:mi> π</米米l:mi> <mml:mi> R</米米l:mi> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:mfrac> <mml:mo> ,</米米l:mo> </mml:mtd> </mml:mlabeledtr> </mml:mtable> </mml:math> </disp-formula>在哪里<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M17"> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M18"> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>分别代表了PCB的等效电阻和电容。根据(<xref ref-type="disp-formula" rid="EEq3"> 3</xref>),截止频率与输入信号和电源。输电线路的PCB,反射阻抗失配造成的可能发生。传输信号反映出,较弱的输出信号(<xref ref-type="bibr" rid="B25"> 26</xref>]。在实验测试中,截止频率被描述为特定的操作频率导致输出信号振幅降低0.707倍(<xref ref-type="bibr" rid="B24"> 25</xref>]。所以,特性阻抗<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M19"> <mml:mrow> <mml:mi> Z</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M20"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> Z</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 0</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>影响PCB的截止频率。</p> </sec> <sec id="sec4"> <title>4所示。提出了阻抗失配PUF电路</t我tle> <p>比较偏差信号出现在相同的结构,PUF电路生成随机的输出响应。在PCB电路,有随机物理因素影响输出信号的振幅、频率和带宽(<xref ref-type="bibr" rid="B26"> 27</xref>]。随机的物理因素可分为两类。第一类是集成电路,芯片制造过程产生的,如通道宽度比长度,和阈值电压。第二个是PCB布局的加工设备,如电线的长度和宽度,电容,电阻,和其他因素<xref ref-type="bibr" rid="B27"> 28</xref>]。因此,PCB可以建立一个独特的内在特征和健壮的指纹在这些场景中。</p> <sec id="sec4.1"> <title>4.1。阻抗失配PUF模型</t我tle> <p>根据阻抗失配和PUF设计方法理论,我们提出了一个阻抗失配PUF (IM-PUF)模型,如图<xref ref-type="fig" rid="fig4"> 4</xref>。模型是由输入电路、偏差产生电路、数字采样电路和输出电路。偏差产生电路是PUF的核心电路,产生上截止频率的偏差。上面的截止频率是数字采样电路的时钟频率。在<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M21"> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>时间,电路比较了两个信号并生成一个“0”或“1”PUF电路的响应。</p> <fig id="fig4"> <label>图4</label> <p>IM-PUF电路模型。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.004"></graphic> </fig> </sec> <sec id="sec4.2"> <title>4.2。输入电路和偏差产生电路</t我tle> <p>输入电路和偏差产生电路如图<xref ref-type="fig" rid="fig5"> 5</xref>。输入电路组成<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M22"> <mml:mrow> <mml:mi> D</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>拖鞋(DFF)、逻辑门和逆变器,当偏差一代电路由一个运算放大器(OPA847),高压输电线路的电流反馈放大器(CFA)。图的电流反馈放大器如图<xref ref-type="fig" rid="fig6"> 6</xref>(<xref ref-type="bibr" rid="B28"> 29日</xref>]。在图<xref ref-type="fig" rid="fig6"> 6</xref>目前,类输送机<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M23"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo> ~</米米l:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 8</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> </inline-formula>放大器是<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M24"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 9</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,偏置电路<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M25"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 11</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M26"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 12</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,电压跟随器<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M27"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 13</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M28"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 14</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>。在图<xref ref-type="fig" rid="fig6"> 6</xref>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M29"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 3</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>是一个750欧姆OPA847反馈电阻,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M30"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M31"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M32"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 3</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M33"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 4</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>是OPA847的去耦电容。R6 560欧姆CFA反馈电阻;<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M34"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 5</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M35"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 6</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M36"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 7</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M37"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> C</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 8</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>是CFA的去耦电容。<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M38"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 3</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M39"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 6</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>用于设置输出的放大信号。<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M40"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M41"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 4</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M42"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 7</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M43"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> R</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 8</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>用于阻抗匹配。输出信号的振幅和频率是由工艺参数决定的。在这个实验中,传输线的特性阻抗的偏差使得输出信号的上截止频率改变。放大器的工作原理如下方程<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M44"> <mml:mi> β</米米l:mi> <mml:mo> =</米米l:mo> <mml:mi> λ</米米l:mi> <mml:mo> ×</米米l:mo> <mml:mo stretchy="false"> (</米米l:mo> <mml:mi> 年代</米米l:mi> <mml:mo> +</米米l:mo> <mml:mi> Δ</米米l:mi> <mml:mi> 年代</米米l:mi> <mml:mo stretchy="false"> )</米米l:mo> </mml:math> </inline-formula>。这意味着偏差信号<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M45"> <mml:mi> Δ</米米l:mi> <mml:mi> 年代</米米l:mi> </mml:math> </inline-formula>是放大<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M46"> <mml:mrow> <mml:mi> λ</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>次了。</p> <fig id="fig5"> <label>图5</label> <p>输入电路和偏差产生电路。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.005"></graphic> </fig> <fig id="fig6"> <label>图6</label> <p>CFA电路结构。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.006"></graphic> </fig> </sec> <sec id="sec4.3"> <title>4.3。数字采样电路和输出电路</t我tle> <p>如图<xref ref-type="fig" rid="fig7"> 7</xref>,数字采样电路包括一个分频器,<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M47"> <mml:mrow> <mml:mi> D</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>触发器,两个和盖茨,两个计数器,一个比较器。两个输入信号频率<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M48"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> f</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M49"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> f</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>作为输出的上限截止两个输电线路,分别。的频率<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M50"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> f</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>虽然分频器,生成一个门控制信号TC。在时钟脉冲宽度(命名<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M51"> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>),<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M52"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> f</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M53"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> f</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>像两个计数器时钟频率。计数器1计数的数量<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M54"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> N</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,计数器2的数量<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M55"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> N</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>。比较<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M56"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> N</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>和<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M57"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> N</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,如果<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M58"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> N</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 1</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo> ></米米l:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi> N</米米l:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> </inline-formula>,输出是“0”;否则输出“1。“输出电路组成<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M59"> <mml:mrow> <mml:mi> 米</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>输出单元。每个输出单元包括一个门闩和第一输入输出(FIFO)电路,如图<xref ref-type="fig" rid="fig7"> 7</xref>。</p> <fig id="fig7"> <label>图7</label> <p>数字采样电路和输出电路。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.007"></graphic> </fig> </sec> </sec> <sec id="sec5"> <title>5。实验结果和分析</t我tle> <p>我们使用多块IM-PUF PCB设计测量上限截止频率在不同的情况下。图<xref ref-type="fig" rid="fig8"> 8</xref>显示了IM-PUF实验设置测量。测试平台主要包括测试PCB板,两个MOTECH lps - 305直流电源(5 V), SP1461 II型300信号发生器,美国泰克MDO3022 200 MHz示波器,和一些电线。</p> <fig id="fig8"> <label>图8</label> <p>实验设置IM-PUF测量。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.008"></graphic> </fig> <p>流动的实验测量总结如下。总共需要四个步骤。</p> <p> <italic> 步骤1。</我talic>数下峰20 mV正弦波的测量电压放大值与不同频率最初的PCB。</p> <p> <italic> 步骤2。</我talic>如果频率小于60 MHz, RMS的输出电压是130 mV。</p> <p> <italic> 步骤3。</我talic>随着输入频率的增加,电压值开始腐烂。</p> <p> <italic> 步骤4。</我talic>确定上限截止频率电压值作为中间频率的0.707倍,即91.91 mV;上截止频率为85.6 MHz。</p> <p>之后,改变PUF电路传输线的长度和宽度,薄薄的7厘米线,细线14厘米,厚7厘米厚线,14厘米线原电路传输线。5%的偏差或多或少比组件的性能不得,或多或少的波动范围1 V电源不得。测量上截止频率为85.5 MHz, 80.4 MHz, 86.5兆赫和80.9 MHz。实验测量数据如图<xref ref-type="fig" rid="fig9"> 9</xref>。PUF的频率曲线明显改变后改变其输电线路。输电线路长度和宽度的变化后,其相应的频率改变。考虑到6 V和5 V电源,截止频率几乎相等的值与值低于100 MHz,如图<xref ref-type="fig" rid="fig10"> 10</xref>。输出信号作为触发的频率计数器。然后,比较计数器的输出,IM-PUF产生的值为0或1。</p> <fig id="fig9"> <label>图9</label> <p>频率曲线的PUF电路。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.009"></graphic> </fig> <fig id="fig10"> <label>图10</label> <p>IM-PUF与不同的电源。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.0010"></graphic> </fig> <p>在统计,自相关是指之间的相关性值随机过程(<xref ref-type="bibr" rid="B29"> 30.</xref>]。在这部作品中,计算自相关是IM-PUF背后假说是一个随机过程。因为IM-PUF设计根据随机变化在PCB制造过程中,提出的假设是好的。换句话说,可以使用自相关特征antianalysis攻击的性能。在实验中,1 # PCB的样本数据作为参考。图<xref ref-type="fig" rid="fig11"> 11</xref>显示了IM-PUF自相关的电路。可以看到,自相关的PUF电路−0.3和0.3之间波动。自相关较低利率意味着PUF抵抗相关分析。</p> <fig id="fig11"> <label>图11</label> <p>自相关的IM-PUF输出。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.0011"></graphic> </fig> <p>IM-PUF输出数据的测量与PCB 60个样本。记录这些数据,我们使用的汉明距离IM-PUF输出来演示随机性的特点。图<xref ref-type="fig" rid="fig12"> 12</xref>显示的汉明距离IM-PUF电路。可以看到,汉明距离的分布与标准正态分布是一致的。归一化标准差(<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M60"> <mml:mrow> <mml:mi> σ</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>IM-PUF)是0.0611,而规范化的标准偏差(<xref ref-type="bibr" rid="B30"> 31日</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B31"> 32</xref>分别是0.0818和0.0627。这意味着该PUF电路具有更好的随机性特征。</p> <fig id="fig12"> <label>图12</label> <p>测量IM-PUF汉明距离。</p> <graphic xlink:href="//www.newsama.com/downloads/journals/apec/2017/4070589.fig.0012"></graphic> </fig> <p>实现PUFs总结在表的关键特征<xref ref-type="table" rid="tab1"> 1</xref>。我们的设计是第一个报道在董事会层面PUFs在每个PCB可以读出一个ID。由于输电线路的变化将导致阻抗失配和信号反射,董事会层面的高频信号处理是非常困难的。IM-PUF关闭的100频率的最佳电路arbiter-based PUFs。的总数可能IM-PUF数据的数量取决于输电线路(<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M61"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn> 2</米米l:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi> N</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>)。有这么多可能的输电线路在PCB对手想输出是可行的。而且,在一个固定的输入,输出数据变化在不同的多氯联苯,因为IM-PUF反应被设计成敏感电路延迟是由电线的变化过程。因为过程变化超出了制造商的控制,没有人可以身体IM-PUF克隆。所以阻抗失配物理Unclonable功能消除董事会层面的物理特征识别技术的问题。</p> <table-wrap id="tab1"> <label>表1</label> <p>与其他作品的比较。</p> <table> <thead> <tr> <th align="left">纸</th><thalign="center">PUFs类型</th><thalign="center">频率(赫兹)</th><thalign="center">变异来源</th></tr></thead> <tbody> <tr> <td align="left">TNANO 2015 (<xref ref-type="bibr" rid="B8"> 8</xref>]</td> <td align="center">MRAM-PUF</td> <td align="center">- - - - - -</td> <td align="center">物质层面上</td> </tr> <tr> <td align="left">超大规模集成,2005<xref ref-type="bibr" rid="B11"> 11</xref>]</td> <td align="center">Arbiter-based PUFs</td> <td align="center">100米</td> <td align="center">电路级</td> </tr> <tr> <td align="left">;痒,2010<xref ref-type="bibr" rid="B12"> 12</xref>]</td> <td align="center">故障PUFs</td> <td align="center">50米</td> <td align="center">电路级</td> </tr> <tr> <td align="left">IFS 2011 (<xref ref-type="bibr" rid="B15"> 13</xref>]</td> <td align="center">时间有限</td> <td align="center">20米</td> <td align="center">电路级</td> </tr> <tr> <td align="left">科学报告,2015<xref ref-type="bibr" rid="B32"> 14</xref>]</td> <td align="center">mrS-PUFs</td> <td align="center">25米</td> <td align="center">物质层面上</td> </tr> <tr> <td align="left">这项工作</td> <td align="center">IM-PUFs</td> <td align="center">100米</td> <td align="center">董事会层面</td> </tr> </tbody> </table> </table-wrap> </sec> <sec id="sec6"> <title>6。结论</t我tle> <p>我们提出一种新的基于PCB的PUF电路设计。施加高频PCB电路的阻抗匹配特性,改变传输线的长度和宽度,导致上截止频率的输出是不同的。用这个频率计数器的时钟频率,输出偏差产生的频率电路不同,与此同时<我nline-formula> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M62"> <mml:mrow> <mml:mi> T</米米l:mi> </mml:mrow> </mml:math> </inline-formula>,计算值也不同。由于计数值的差异,比较电路将输出一个二进制响应信号。这PUF PCB的功能是不可预测的,所以物联网的安全将得到改善。</p> </sec> <back> <sec> <title>相互竞争的利益</t我tle> <p>作者宣称没有利益冲突。</p> </sec> <ack> <title>确认</t我tle> <p>这项工作得到了国家自然科学基金(号。61404076,61474068,61274132);中国浙江省自然科学基金(没有。LQ14F040001);浙江省科学技术厅的科技计划(没有。2015 c31010);中国星火计划(没有。2015 ga701053);和项目由宁波自然科学基金(2014 a610148和2015 a610107号)。</p> </ack> <ref-list> <ref id="B1" content-type="article"> <label>1</label> <element-citation publication-type="journal"> <person-group person-group-type="author"> <name> <surname> 甘兹</surname> <given-names> F。</given-names> </name> <name> <surname> Puschmann</surname> <given-names> D。</given-names> </name> <name> <surname> Barnaghi</surname> <given-names> P。</given-names> </name> <name> <surname> Carrez</surname> <given-names> F。</given-names> </name> </person-group> <article-title> 一个实用的评价信息处理和抽象物联网的技术</article-title> <source> <italic> IEEE物联网</我talic> <year> 2015年</year> <volume> 2</volume> <issue> 4</我ssue> <fpage> 340年</fpage> <lpage> 354年</lpage> <pub-id pub-id-type="doi"> 10.1109 / jiot.2015.2411227</pub-id> <pub-id pub-id-type="other"> 2 - s2.0 - 84938833346</pub-id> </element-citation> </ref> <ref id="B2" content-type="inproceedings"> <label>2</label> <element-citation publication-type="confproc"> <person-group person-group-type="author"> <name> <surname> 峡谷</surname> <given-names> M。</given-names> </name> <name> <surname> 杜蒙特</surname> <given-names> g。</given-names> </name> <name> <surname> 彼得森</surname> <given-names> c . L。</given-names> </name> <name> <surname> Ansermino</surname> <given-names> j . 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