Исследование физически неклонируемой функции конфигурируемого кольцевого осциллятора

Цели. Целью работы являются рассмотрение особенностей проектирования и реализации физически неклонируемой функции (ФНФ) конфигурируемого кольцевого осциллятора (ККО) на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) типа FPGA и оценка основных параметров схем ККО и характеристик ФНФ ККО в различных сценариях моделирования и размещения на кристаллах FPGA. Методы. Используются методы синтеза и анализа цифровых устройств, в том числе на программируемых логических интегральных схемах, основы цифровой схемотехники.

Результаты. Предложена обобщенная модель ФНФ, основанная на сравнении задержек распространения сигналов по паре симметричных путей. Модель включает в себя четыре основные стадии: генерирование множества симметричных путей (Generate), выборку из множества пары путей (Select/Switch), измерение задержки распространения сигнала для каждого выбранного пути (Measure) и вычисление бинарного ответа ФНФ на основе знака разницы измеренных задержек (Compute). Данная модель применима к таким классическим типам ФНФ, как ФНФ типа арбитр и ФНФ кольцевого осциллятора, и к их модификациям. На основе предложенной модели спроектирована ФНФ ККО, которая была реализована на ПЛИС типа FPGA Xilinx ZYNQ 7000. В ходе проведенных экспериментов над моделями и реализованными схемами были оценены основные временные параметры ККО и характеристики ФНФ ККО в различных сценариях моделирования и для двух типов размещения их компонент на кристаллах FPGA. Было показано, что подавляющую часть задержки распространения сигнала по выбранному пути составляет задержка на конфигурируемых межсоединениях FPGA, которая вне зависимости от типа применяемого размещения приводит к реализации множества заведомо асимметричных путей. Нарушение симметрии путей негативно сказывается на одной из важнейших характеристик ФНФ – внутрикристальной уникальности, низкие показатели которой могут служить сильным ограничением при реализации схем неклонируемой идентификации. При этом другие характеристики ФНФ, такие как единообразие, стабильность, надежность и внутрикристальная уникальность, имеют приемлемо высокие показатели.

Заключение. Проведенное параметрическое моделирование схем ФНФ ККО показало свою состоятельность при оценке таких характеристик ФНФ, как единообразие и внутрикристальная уникальность, что может быть использовано разработчиками для быстрой оценки качества проектируемых схем, не прибегая к их реализации. Обеспечение приемлемых значений межкристальной уникальности требует поиска новых схемотехнических решений, которые будут приводить к генерированию множества симметричных путей на ПЛИС типа FPGA. Кроме того, измеренные периоды схем ККО наглядно демонстрируют свою уникальность при их реализации как на одном, так и на различных кристаллах, что является основой для поиска новых методов и алгоритмов вычисления уникальных ответов ФНФ.

1. Secure System Design and Trustable Computing / ed.: Ch. H. Chang, M. Potkonjak. - Switzerland : Springer, 2016. - 549 p. - https://doi.org/10.1007/978-3-319-14971-4.

2. Hemavathy, S. Arbiter PUF - a review of design, composition, and security aspects / S. Hemavathy, V. S. K. Bhaaskaran // IEEE Access. - 2023. - Vol. 11. - P. 33979-34004. - https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3264016.

3. Maiti, A. Improved ring oscillator PUF: An FPGA-friendly secure primitive / A. Maiti, P. Schaumont // Journal of Cryptology. - 2011. - Vol. 24. - P. 375-397. - https://doi.org/10.1007/s00145-010-9088-4.

4. Configurable ring oscillator PUF using hybrid logic gates / D. Deng, S. Hou, Z. Wang, Y. Guo // IEEE Access. - 2020. - Vol. 8. - P. 161427-161437. - https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3021205.

5. Extended abstract: The butterfly PUF protecting IP on every FPGA / S. S. Kumar, J. Guajardo, R. Maes [et al.] // Proc. of the IEEE Intern. Workshop on Hardware-Oriented Security and Trust (HOST), Anaheim, CA, USA, 09 June 2008. - Anaheim, 2008. - P. 67-70. - https://doi.org/10.1109/HST.2008.4559053.

6. Corner models: Inaccurate at best, and it only gets worst / C. C. McAndrew, I.-S. Lim, B. Braswell, D. Garrity // Proc. of the IEEE 2013 Custom Integrated Circuits Conf., San Jose, CA, USA, 22-25 Sept. 2013. - San Jose, 2013. - P. 1-4. - https://doi.org/10.1109/CICC.2013.6658428.

7. Ярмолик, В. Н. Двухмерные физически неклонируемые функции типа арбитр / В. Н. Ярмолик, А. А. Иванюк // Информатика. - 2023. - Т. 20, № 1. - С. 7-26. - https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-1-7-26.

8. Global interconnections in FPGAs: modeling and performance analysis / T. Mak, C. D'Alessandro, P. Sedcole [et al.] // Proc. of Intern. Workshop on System Level Interconnect Prediction, Newcastle, United Kingdom, 05-08 April 2008. - Newcastle, 2008. - P. 51-58. - https://doi.org/10.1145/1353610.1353621.

9. Karnik, T. An empirical model for accurate estimation of routing delay in FPGAs / T. Karnik, S.-M. Kang // Proc. of IEEE Intern. Conf. on Computer Aided Design (ICCAD), San Jose, CA, USA, 05-09 Nov. 1995. - San Jose, 1995. - P. 328-331. - https://doi.org/10.1109/ICCAD.1995.480136.

10. Иванюк, А. А. Конфигурируемый кольцевой осциллятор с управляемыми межсоединениями / А. А. Иванюк, В. Н. Ярмолик // Безопасность информационных технологий. - 2024. - Т. 31, № 2. - С. 121-133. - https://doi.org/10.26583/bit.2024.2.08.

11. Иванюк, А. А. Физически неклонируемые функции на базе управляемого кольцевого осциллятора / А. А. Иванюк, В. Н. Ярмолик // Безопасность информационных технологий. - 2023. - Т. 30, № 3. - С. 90-103. - https://doi.org/10.26583/bit.2023.3.06.