Halka Osilatör Tabanlı Fiziksel Klonlanamayan Fonksiyonların Güvenilirliklerinin İyileştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada, halka osilatör tabanlı fiziksel klonlanamayan fonksiyon devrelerinin, çeşitli çevresel etkiler karşısında güvenilirliklerin artırılması amaçlanmıştır. Öncelikle, osilatör çiftlerinin ürettiği frekans farklılıklarını ve dinamik etkileri gözlemleyip modelleyebilmek için çeşitli sahada programlanabilir kapı dizilerinin (FPGA) farklı bölgelerinde osilatör çiftleri gerçeklenmiş ve frekans farklılıkları ölçülmüştür. Bu ölçümler sonucunda halka osilatör çiftlerinine ilişkin statik ve dinamik dağılımlar elde edilmiştir. Güvenilirliği artırmak amacıyla halka osilatörleri etiketleyen bir yöntem önerilmiştir. Bu çalışmada ayrıca, bir osilatör çiftinden birden fazla bit elde etme işlemi de incelenmiş ve dinamik etkilere karşı test edilmiştir. Etiketleme yönteminin etkinliğini ve bir osilatör çiftinden birden fazla bit elde etme işlemini gerçek devre üzerinde incelemek amacıyla, fiziksel klonlanamayan fonksiyon devresi FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. Sıcaklık odası ile ortamın sıcaklığı 10 – 65 °C arasında değiştirilmiştir. Sonuç olarak, ortam sıcaklığının artmasıyla birlikte güvenilmez bit sayısının arttığı gözlenmiştir. Etiketleme yöntemi kullanıldığında güvenilmez bite rastlanmamıştır. Bir halka osilatör çiftinden birden fazla bit (iki ve üç bit bilgi) elde edilmesi de test edilmiştir. Elde edilen iki ve üç bitlik verilerin küçük bir farklılıkla birlikte eşit dağılımlı olduğu gözlenmiştir. Bir osilatör çiftinden elde edilen bit sayısı arttıkça, güvenilir olmayan bitlerin sayısı da artmıştır. Fakat bir osilatörden iki ve üç bit elde etmede tüm hataların komşu bölgede olduğu gözlenmiştir.

In this thesis, it is aimed to enhance the reliability of ring oscillator based Physically Unclonable Functions (PUFs) under different environmental variations. In order to observe and model the frequency difference of ring oscillator pairs and dynamic effects, ring oscillators are realized and measured at different locations of different Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). After the measurements, static and dynamic distributions of ring oscillator pairs are obtained. In order to increase the reliability, a new technique that is labeling ring oscillators, is proposed. Also, in this study, the process of obtaining multiple bits from a ring oscillator pair is observed and tested with respect to dynamic effects. In order to analyze the enhancement of labeling technique and multiple bit extraction at the circuit, the PUF circuit is implemented on an FPGA. The ambient temperature is changed between 10 – 65 °C with a temperature chamber. As a result, it is observed that with increasing ambient temperature, the number of unreliable bits are increased. When labeling technique is used, no unreliable bits are observed. Multiple bits extraction (two and three bits extraction) is also tested. It is observed that the distribution of two and three bit wide data are almost equally distributed. The number of unreliable bits are increased with the extracted bit numbers. However, it is seen that all erronous bits are caused by jumping to adjacent region.