informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2021-19-1-32-49inform-1180Research ArticleЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ И НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМINFORMATION PROTECTION AND SYSTEM RELIABILITYФизически неклонируемые функции с управляемой задержкой распространения сигналовPhysically unclonable functions with controlled propagation delayЯрмоликВ. Н.YarmolikV. N.

Ярмолик Вячеслав Николаевич - доктор технических наук, профессор.

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013.

Vyacheslav N. Yarmolik - D. Sc. (Eng.), Professor, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.

Brovki st., 6, Minsk, 220013.

yarmolik10ru@yahoo.comИванюкА. А.IvaniukA. A.

Иванюк Александр Александрович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информатика и  заведующий  совместной  учебной  лабораторией SK Hynix Memory Solutions Eastern Europe.

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013.

Alexander A. Ivaniuk - D. Sc. (Eng.), Assoc. Prof., Professor of Comp. Sci. Department, Head of the Joint Educational Laboratory "SK Hynix Memory Solutions Eastern Europe", Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.

Brovki st., 6, Minsk, 220013.

ivaniuk@bsuir.byШинкевичН. Н.ShynkevichN. N.

Шинкевич Наталья Николаевна – аспирант.

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013.

Natallia  N.  Shynkevich - Graduate  Student, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.

Brovki st., 6, Minsk, 220013.

nn5h@yahoo.comБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2022160220221913249Copyright © Ярмолик В.Н., Иванюк А.А., Шинкевич Н.Н., 20222022Ярмолик В.Н., Иванюк А.А., Шинкевич Н.Н.Yarmolik V.N., Ivaniuk A.A., Shynkevich N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inf.grid.by/jour/article/view/1180Ц е л и

Ц е л и. Решается задача построения нового класса физически неклонируемых функций (ФНФ), обеспечивающих управление задержкой распространения сигнала через элементы, которые расположены на пути его распространения. Актуальность такого исследования связана с активным развитием физической криптографии. В работе преследуются следующие цели: построение базовых элементов ФНФ и их модификаций, разработка методики построения управляемых кольцевых осцилляторов на базе элементов XOR и управляемых кольцевых осцилляторов, основанных на многовходовом переключении сигнала.

М е то д ы

М е то д ы . Используются методы синтеза и анализа цифровых устройств, в том числе на программируемых логических интегральных схемах, основы булевой алгебры и схемотехники.

Р е з у л ь т а т ы

Р е з у л ь т а т ы .  Показано, что комбинированные ФНФ, основанные на RS-триггерах, реализуют идею управления задержкой сигнала за счет выбора пути, который представляет собой последовательно подключенные элементы, выбранные в соответствии с запросом ФНФ. Разработана методика построения ФНФ с управляемой задержкой через каждый элемент пути. Исследованы особенности и свойства ФНФ с управляемой задержкой сигналов типа кольцевого осциллятора и показаны возможные решения для случая двухразрядных входных запросов. Предложен базовый элемент и его модификации для построения новых структур ФНФ, основанных на управлении задержкой распространения сигнала. Показано, что задержка сигнала через базовый элемент, представляющий собой многовходовый элемент XOR, зависит не только от количества входов, на которые подается активный входной сигнал, но и от фиксированного значения 0 либо 1 на остальных его входах. Приведена новая структура ФНФ – управляемый кольцевой осциллятор, рассматриваются его реализации для случая управления за счет задания количества входов, на которых изменяется активный входной сигнал.

З а к л ю ч е н и е

З а к л ю ч е н и е . Предложенный подход к построению физически неклонируемых функций, основанный на управлении задержкой сигналов через логические элементы, показал свою работоспособность и перспективность. Экспериментально подтвержден эффект влияния на задержки распространения сигналов через логический элемент количества его входов, на которых изменяются входные сигналы, приводящие к изменению выходного сигнала. Перспективным представляется дальнейшее развитие идей построения управляемых кольцевых осцилляторов и осцилляторов с многовходовым переключением сигнала, а также создания новых структур ФНФ типа арбитр.

O b j e c t i v e s

O b j e c t i v e s. The problem of constructing a new class of physically uncloneable functions (PUF) based on controlling the signal propagation delay through the elements lying on the path of its propagation is being solved. The relevance of this problem is associated with the active development of physical cryptography. For its implementation, the following goals are pursued: the construction of the basic elements of the PUF and their modifications, the development of a methodology for constructing controlled ring oscillators based on XOR elements and controlled ring oscillators based on multi-input signal switching.

M e t h o d s

M e t h o d s.  Methods  of  synthesis  and  analysis  of  digital  devices  were  used,  including  those  based  on programmable logic integrated circuits (FPGA), the basics of Boolean algebra and circuitry.

R e s u l t s

R e s u l t s. It is shown that combined PUFs based on RS-flip-flops implement the idea of controlling the signal delay by choosing a path, which is a series-connected elements selected in accordance with the PUF request. A technique for constructing an PUF with a  controlled delay through each element of the path has been developed as a development of the idea of controlling the signal delay along the path. The features and properties of PUF with controlled delay of signals of the ring oscillator type are investigated and possible solutions are shown for the case of two-bit input requests. A basic element and its modifications are proposed for constructing new PUF structures based on the control of the signal propagation delay. It is shown that the signal delay through the basic element, which is a multi-input XOR element, depends not only on the number of inputs to which the active input signal is applied, but also on fixed values of 0 or 1 at its other inputs. A new PUF structure is presented, namely, a controlled ring oscillator, its implementation is considered for the case of control by setting the inputs and their number, by which the active input signal changes.

Co n c l u s i o n

Co n c l u s i o n. The proposed new approach to the construction of physically uncloneable functions, based on the control of signal delay through logical elements, has shown its efficiency and promise. The effect of the influence on the delays of signal propagation through the logic element, both the number of its inputs, along which the input signals change, leading to a change in the output signal, and their composition, is experimentally confirmed. It seems promising to further developing the ideas of constructing controlled ring oscillators and oscillators  with  multi-input  switching of  input  signal,  as  well  as  the  creation  of  new PUF  structures of arbiter type.

физическая криптографияфизически неклонируемые функциифизические однонаправленные функциикольцевой осцилляторфизически неклонируемая функция типа арбитрphysical cryptographyphysically unclonable functionsphysical one-way functionsring oscillatorarbiter-based physically unclonable functionАвторы выражают искреннюю благодарность резиденту Парка высоких технологий компании SK Hynix Memory Solutions Eastern Europe за предоставленное оборудование для проведения экспериментов в рамках работы совместной учебной лаборатории с Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники.The authors express their sincere gratitude to the HTP resident of the "SK Hynix Memory Solutions Eastern Europe" company for the equipment provided for carrying out experiments within the framework of the joint laboratory with the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.ReferencesPappu, R. Physical One-Way Functions: PhD Thesis in Media Arts and Sciences / R. Pappu. – Cambridge : Massachusetts Institute of Technology, 2001. – 154 p.Pappu R. Physical One-Way Functions: PhD Thesis in Media Arts and Sciences. Cambridge, Massachusetts Institute of Technology, 2001, 154 p.Controlled physical random functions / B. Gassend [et al.] // Proc. of 18th Annual Computer Security Applications Conf. (ACSAC), Las Vegas, Nevada, USA, 9–13 Dec. 2002. – Las Vegas, 2002. – P. 149–160.Gassend B., Clarke D., Dijk M. S., Devadas S. Controlled physical random functions. Proceedings of the 18th Annual Computer Security Applications Conference (ACSAC), Las Vegas, Nevada, USA, 9–13 December 2002. Las Vegas, 2002, pp. 149–160.Rührmair, U. Strong PUFs: models, constructions, and security proofs / U. Rührmair, H. Busch, S. Katzenbeisser // Towards Hardware-Intrinsic Security / eds. A.-R. Sadeghi, D. Naccache. – Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2010. – P. 79–96.Rührmair U., Busch H., Katzenbeisser S. Strong PUFs: Models, Constructions, and Security Proofs. Towards Hardware-Intrinsic Security. In Sadeghi A.-R., Naccache D. (eds.). Berlin, Heidelberg, Springer Berlin Heidelberg, 2010, pp. 79–96.Agarwal, A. Statistical timing analysis for intra-die process variations with spatial correlations / A. Agarwal, D. Blaauw, V. Zolotov // Proc. of Intern. Conf. on Computer Aided Design (ICCAD03), San Jose, CA, USA, 9–13 Nov. 2003. – San Jose, 2003. – P. 900–907.Agarwal A., Blaauw D., Zolotov V. Statistical timing analysis for intra-die process variations with spatial correlations. Proceedings of the International Conference on Computer Aided Design (ICCAD03), San Jose, CA, USA, 9–13 November 2003. San Jose, 2003, pp. 900–907.Böhm, C. Physical Unclonable Functions in Theory and Practice / C. Böhm, M. Hofer. – N. Y. : Springer Science + Business Media, 2013. – 270 p.Böhm C., Hofer M. Physical Unclonable Functions in Theory and Practice. New York, Springer Science + Business Media, 2013, 270 p.Theoretical analysis of delay-based PUFs and design strategies for improvement / Y. Wang [et al.] // Proc. of the IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS), Sapporo, Japan, 26–29 May 2019. – Sapporo, 2019. – P. 1–5.Wang Y., Wang C., Gu C., Cui Y. Theoretical analysis of delay-based PUFs and design strategies for improvement. Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Sapporo, Japan, 26–29 May 2019. Sapporo, 2019, pp. 1–5.Gummalla, S. An Analytical Approach to Efficient Circuit Variability Analysis in Scaled CMOS Design: Master Degree Thesis / S. Gummalla. – Arizona : Arizona State University, 2011. – 62 p.Gummalla S. An Analytical Approach to Efficient Circuit Variability Analysis in Scaled CMOS Design: Master Degree Thesis. Arizona, Arizona State University, 2011, 62 p.A technique to build a secret key in integrated circuits for identification and authentication applications / J. W. Lee [et al.] // Proc. of the Intern. Symp. VLSI Circuits (VLSI’04), Honolulu, Hawaii, USA, 7–19 June 2004. – Honolulu, 2004. – P. 176–179.Lee J. W., Lim D., Gassend B., Suh G., Dijk M., Devadas S. A technique to build a secret key in integrated circuits for identification and authentication applications. Proceedings of the International Symposium VLSI Circuits (VLSI’04), Honolulu, Hawaii, USA, 7–19 June 2004. Honolulu, 2004, pp. 176–179.Ozturk, E. Physical unclonable function with tristate buffers / E. Ozturk, G. Hammouri, B. Sunar // Proc. of the IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS 2008), Seattle, Washington, USA, 18–21 May 2008. – Seattle, 2008. – P. 3194–3197.Ozturk E., Hammouri, G., Sunar B. Physical unclonable function with tristate buffers. Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2008), Seattle, Washington, USA, 18–21 May 2008. Seattle, 2008, pp. 3194–3197.The bistable ring PUF: A new architecture for strong physical unclonable functions / Q. Chen [et al.] // Proc. of the IEEE Intern. Symp. on Hardware Oriented Security and Trust (HOST’11), San Diego, California, USA, 5–6 June 2011. – San Diego, 2011. – P. 134–141.Chen Q., Csaba G., Lugli P., Schlichtmann U., Rührmair U. The bistable ring PUF: A new architecture for strong physical unclonable functions. Proceedings of the IEEE International Symposium on Hardware Oriented Security and Trust (HOST’11), San Diego, California, USA, 5–6 June 2011. San Diego, 2011, pp. 134–141.Holcomb, D. E. Power-up SRAM state as an identifying fingerprint and source of true random numbers / D. E. Holcomb, W. Burleson, K. Fu // IEEE Transactions on Computer. – 2008. – Vol. 58, no. 9. – P. 1198–1210.Holcomb D. E., Burleson W., Fu K. Power-up SRAM state as an identifying fingerprint and source of true random numbers. IEEE Transactions on Computers, 2008, vol. 58, no. 9, pp. 1198–1210.DRAM-based intrinsic physically unclonable functions for system-level security and authentication / F. Tehranipoor [et al.] // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. – 2016. – No. 99. – P. 1–13.Tehranipoor F., Karimian N., Xiao K., Chandy J. DRAM-based intrinsic physically unclonable functions for system-level security and authentication. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 2016, no. 99, pp. 1–13.Ярмолик, В. Н. Физически неклонируемые функции / В. Н. Ярмолик, Ю. Г. Вашинко // Информатика. – 2011. – № 2(30). – С. 92–103.Yarmolik V. N., Vashinko Y. G. Physical unclonable functions. Informatika [Informatics], 2011, no. 2(30), pp. 92–103 (In Russ.).Иванюк, А. А. Физическая криптография и защита цифровых устройств / А. А. Иванюк, С. С. Заливако // Доклады БГУИР. – 2019. – № 2(120). – С. 50–58.Ivaniuk A. A., Zalivaka S. S. Physical cryptography and security of digital devices. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioèlektroniki [Reports of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics], 2019, no. 2(120), pp. 50–58 (In Russ.).Верниковский, Е. А. Схемотехника: учебно-методический комплекс / Е. А. Верниковский. – Минск : БГУ, 2012. – 200 с.Vernikovskii E. A. Schemotehnika: uchebno-metodicheskii complex. Circuitry: Educational-methodical Complex. Minsk, Belorusskij gosudarstvennyj universitet, 2012, 200 p. (In Russ.).Jouppi, N. Timing analysis and performance improvement of MOS VLSI designs / N. Jouppi // IEEE Transactions on Computer-Aided Design. – 1987. – Vol. 6, no. 4. – P. 650–665.Jouppi N. Timing analysis and performance improvement of MOS VLSI designs. IEEE Transactions on Computer-Aided Design, 1987, vol. 6, no. 4, рр. 650–665.Богданович, М. И. Цифровые интегральные микросхемы / М. И. Богданович, И. Н. Грель, В. А. Прохоренко. – Минск : Беларусь, 1991. – 493 с.Bogdanovich M. I., Grel’ I. N., Prohorenko V. A. Tsifrovue integral’nue mikroshemy. Digital Integrated Circuits, Minsk, Belarus, 1991, 493 p. (In Russ.).Ram, O. V. S. S. Modeling multiple-input switching in timing analysis using machine learning / O. V. S. S. Ram, S. Saurabh // IEEE Trans. on Computer. – 2021. – Vol. 40, no. 4. – P. 723–734.Ram O. V. S. S., Saurabh S. Modeling multiple-input switching in timing analysis using machine learning. IEEE Transactions on Computer, 2021, vol. 40, no. 4, pp. 723–734.Experiments on autonomous Boolean networks / D. P. Rosin [et al.] // Chaos: An Interdisciplinary J. of Nonlinear Science. – 2013. – Vol. 23, no. 2. – P. 1–9.Rosin D. P., Rontani D., Gauthier D. J. Experiments on autonomous Boolean networks. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 2013, vol. 23, no. 2, pp. 1–9.Park, M. True random number generation using CMOS Boolean chaotic oscillator / M. Park, J. C. Rodgers, D. P. Lathrop // Microelectronics J. – 2015. – Vol. 46, no. 12. – P. 1364–1370.Park M., Rodgers J. C., Lathrop D. P. True random number generation using CMOS Boolean chaotic oscillator. Microelectronics Journal, 2015, vol. 46, no. 12, pp. 1364–1370.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.