informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2022-19-4-27-41inform-1217Research ArticleЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ И НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМINFORMATION PROTECTION AND SYSTEM RELIABILITYПостроение и балансировка путей физически неклонируемой функции типа арбитр на FPGACreating and balancing the paths of arbiter-based physically unclonable functions on FPGAШамынаА. Ю.ShamynaA. Yu.

Шамына Артем Юрьевич, магистр технических наук, старший преподаватель

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013

Artsiom Yu. Shamyna, M. Sc. (Eng.), Senior Lecturer

st. P. Brovki, 6, Minsk, 220013

shamyna@bsuir.byИванюкА. А.IvaniukA. A.

Иванюк Александр Александрович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информатики, заведующий совместной учебной лабораторией «СК хайникс мемори солюшнс Восточная Европа»

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013

Alexander A. Ivaniuk, D. Sc. (Eng.), Assoc. Prof., Prof. of Computer Science Department, Head of the Joint Educational Laboratory "SK Hynix Memory Solutions Eastern Europe"

st. P. Brovki, 6, Minsk, 220013

ivaniuk@bsuir.byБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2022140920221942741Copyright © Шамына А.Ю., Иванюк А.А., 20222022Шамына А.Ю., Иванюк А.А.Shamyna A.Y., Ivaniuk A.A.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/1217

Цели. Решается задача построения новой структуры путей физически неклонируемой функции типа арбитр (АФНФ) на FPGA (Field programable gate array), основанных на полном использовании внутренних ресурсов LUT-блоков (англ. Look up table), которые функционально являются повторителями. Актуальность исследования связана с бурным развитием средств физической криптографии. Также преследуется цель разработки способа устранения асимметрии путей АФНФ, связанной с особенностью синтеза подобных схем на FPGA.Методы. Используются методы синтеза цифровых устройств, их параметрического моделирования и реализации на платах быстрого прототипирования. Для измерения внутренних задержек распространения сигналов через пути АФНФ применяется схема кольцевого осциллятора.Результаты. Предложена новая структура базового элемента путей АФНФ с использованием двух функциональных повторителей. Продемонстрирована необходимость балансировки задержек путей АФНФ. Разработан способ устранения асимметрии распространения сигналов через пути АФНФ на базе управляемых линий задержки. Показаны недостатки использования в качестве схемы арбитра АФНФ классических подходов и необходимость их модификации.Заключение. Предложенный подход к построению путей АФНФ показал свою состоятельность и перспективность. Экспериментально подтверждается улучшение характеристик АФНФ, построенных по предложенным способом, а также снижение аппаратурных затрат при их реализации по сравнению с классическими схемами АФНФ. Представляется перспективным дальнейшее развитие описанного подхода АФНФ, связанное прежде всего с усовершенствованием структуры арбитра.

Objectives. The problem of constructing a new structure of paths of physically unclonable function of the arbiter type (APUF) on the FPGA is being solved, based on the full use of internal resources of LUT-blocks, which are functionally repeaters. The relevance of the study is associated with the rapid development of physical cryptography tools. Another goal is the developing a methodology for eliminating the asymmetry of the APUF paths associated with the peculiarity of the synthesis of such circuits on the FPGA.Methods. The methods of synthesis of digital devices, their parametric modeling and implementation on rapid prototyping boards are used. A ring oscillator circuit is used to measure the internal propagation delays of signals through the APUF paths.Results. A new structure of the basic element of APUF paths with the use of two functional repeaters is proposed. The necessity of balancing the delays of APUF paths is demonstrated. A technique has been developed to eliminate the asymmetry of signal propagation through APUF paths based on controlled delay lines. The disadvantages of classical approaches as an APUF arbitrator and the need for their modification are shown.Conclusion. The proposed approach to build APUF paths has shown its viability and promise. An improvement in the characteristics of APUF constructed according to the proposed method, as well as a reduction in hardware costs during their implementation compared to classical APUF schemes, is experimentally confirmed. It seems promising to develop the described methodology for constructing the APUF to improve the structure of the arbiter.

физическая криптографияфизически неклонируемые функции типа арбитрсимметричные путиуправляемые линии задержкикольцевой осцилляторphysical cryptographyarbiter-based physically unclonable functionssymmetrical pathspropagation delay linering oscillatorАвторы выражают благодарность резиденту Парка высоких технологий компании SK Hynix Memory Solutions Eastern Europe за предоставленное оборудование для проведения экспериментальных исследований в рамках работы совместной учебной лаборатории с Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники.The authors express 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 Unitversity 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.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.).Yang, J. A low resource consumption Arbiter PUF improved switch component design for FPGA / J. Yang, X. Yu, R. Wei // J. of Physics: Conference Series. – 2022. – Vol. 2221. – Р. 012011.Yang J. , Yu X., Wei R. A low resource consumption Arbiter PUF improved switch component design for FPGA. Journal of Physics: Conference Series, 2022, vol. 2221, р. 012011.Ярмолик, В. Н. Физически неклонируемые функции типа арбитр с заведомо асимметричными парами путей / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк // Доклады БГУИР. – 2022. – № 20(4). – С. 71–79.Yarmolik V. N., Ivaniuk A. A. Arbiter physical unclonable functions with asymmetric pairs of paths. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioèlektroniki [Reports of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics], 2022, no. 20(4), рр. 71–79 (In Russ.).Иванюк, А. А. Синтез симметричных путей физически неклонируемой функции типа арбитр на FPGA / А. А. Иванюк // Информатика. – 2019. – Т. 16, № 2. – С. 99–108.Ivaniuk A. A. Synthesis of symmetric paths of arbiter physically unclonable function on FPGA. Informatika [Informatics], 2019, vol. 16, no. 2, pp. 99–108 (In Russ.).Secure lightweight obfuscated delay-based physicalunclonable function design on FPGA / M. H. Ishak [et al.] // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. – 2022. – Vol. 11, no. 2. – P. 1075–1083. https://doi.org/10.11591/eei.v11i2.3265Ishak M. H., Mispan M. S., Chiew W. Ya, Kamaruddin M. R., Korobkov M. A. Secure lightweight obfuscated delay-based physicalunclonable function design on FPGA. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, 2022, vol. 11, no. 2, pp. 1075–1083. https://doi.org/10.11591/eei.v11i2.3265Шамына, А. Ю. Исследование временных параметров физически неклонируемой функции типа арбитр с использованием кольцевого осциллятора / А. Ю. Шамына, А. А Иванюк // Цифровая трансформация. – 2022. – № 1(28). – С. 27–38.Shamyna A. Yu., Ivaniuk A. A. Investigation of the timing parameters of the arbiter-based physically unclonable function using a ring oscillator. Cifrovaya transformaciya [Digital Transformation], 2022, no. 1(28), pp. 27–38 (In Russ.).

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