强物理不可克隆函数及其攻击技术的研究

发布时间：2017-10-19 04:18

  本文关键词：强物理不可克隆函数及其攻击技术的研究

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【摘要】：随着嵌入式系统(例如智能卡、身份证、移动手机等)的出现及广泛应用,硬件安全问题成为技术关键。在传统的加密算法中,攻击者通过侵入式或非侵入式等物理攻击进入设备,能够导致密钥泄漏,给密码设备安全性带来极大威胁。物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions,PUF)是最近几年出现的新型硬件加密组件,主要利用芯片制造过程中工艺偏差引起的随机差异,以有效避免数字密钥易被攻击的缺点。论文在概述了物理不可克隆函数的原理和当前国内外的研究现状的基础上,在SMIC 65nm CMOS工艺下实现了两种强物理不可克隆函数,通过在不同环境下的蒙特卡洛仿真,对两种强PUF的均匀性、唯一性和可靠性进行详细的分析和比较。为了验证PUF的可行性,在Spartan6 FPGA开发板上实现环形振荡器PUF,并进行测试和分析。同时,为之后的攻击提取了大量的激励响应数据。在攻击方面,论文采用逻辑回归和支持向量机分别对不同结构的仲裁器PUF进行攻击。在逻辑回归攻击技术中对比分析了梯度下降法、模拟退火法和RPROP算法三种参数优化方法,结果显示RPROP算法预测成功率高、攻击时间短,为最佳的优化方法,对于任意长度的仲裁器PUF以及某些长度和复杂性的XOR仲裁器PUF,攻击成功率在99%左右。支持向量机技术主要利用Lib SVM分类器,采用不同的核函数和参数,结果显示支持向量机能够成功攻击仲裁器PUF,成功率也在99%左右,但是对于复杂的XOR仲裁器PUF攻击成功率非常低。分析结果表明逻辑回归为最优的仲裁器PUF攻击方法,其攻击效率和成功率都达到了很高的水平。
【关键词】：强物理不可克隆函数 蒙特卡洛仿真 逻辑回归 支持向量机
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN918.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 课题背景及研究目的和意义8-9
• 1.2 PUF的国内外研究现状9-10
• 1.3 PUF攻击技术的研究现状10-11
• 1.4 本文主要研究内容11-13
• 第2章 物理不可克隆函数及其攻击技术13-25
• 2.1 PUF的分类13-19
• 2.1.1 非电子PUF13-14
• 2.1.2 模拟电路PUF14
• 2.1.3 数字电路PUF14-19
• 2.2 PUF的特性19-21
• 2.3 强PUF攻击技术21-24
• 2.3.1 逻辑回归技术22-23
• 2.3.2 支持向量机技术23
• 2.3.3 神经网络技术23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 强物理不可克隆函数实现及分析25-44
• 3.1 仲裁器PUF的ASIC实现25-27
• 3.1.1 仲裁器PUF电路结构25-27
• 3.1.2 仲裁器PUF版图实现27
• 3.2 仿真结果及分析27-35
• 3.2.1 蒙特卡洛仿真27-28
• 3.2.2 仲裁器PUF仿真结果及分析28-32
• 3.2.3 XOR仲裁器PUF仿真结果及分析32-34
• 3.2.4 数据采集34-35
• 3.3 环形振荡器PUF实现与仿真35-43
• 3.3.1 环形振荡器PUF的ASIC实现35-37
• 3.3.2 环形振荡器PUF的FPGA实现37-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 基于逻辑回归的PUF攻击技术44-58
• 4.1 逻辑回归原理44-48
• 4.1.1 构造预测函数44-46
• 4.1.2 构造损失函数46-47
• 4.1.3 求J(θ)的最小值47-48
• 4.2 逻辑回归攻击算法实现48-50
• 4.3 优化算法的选择50-55
• 4.3.1 梯度下降法50-51
• 4.3.2 模拟退火算法51-52
• 4.3.3 RPROP算法52-55
• 4.4 攻击结果及分析55-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第5章 基于支持向量机的PUF攻击技术58-69
• 5.1 支持向量机内容58-65
• 5.1.1 支持向量机基本原理58-59
• 5.1.2 支持向量机算法59-61
• 5.1.3 核函数选择61-62
• 5.1.4 Lib SVM分类器62-65
• 5.2 攻击结果与分析65-68
• 5.3 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 攻读学位期间发表的学术论文75-77
• 致谢77

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本文编号：1058994