一種可重構(gòu)并防窺探的光學(xué)puf的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于PUF的安全領(lǐng)域，具體是指一種用于IP保護(hù)、系統(tǒng)認(rèn)證、可信計(jì)算、秘鑰生成等領(lǐng)域的可重構(gòu)并防窺探光學(xué)PUF。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，銀行卡、信用卡、身份證等信息外泄或遭黑客竊取、違法復(fù)制等事件頻頻發(fā)生、屢見(jiàn)不鮮，尋求保證身份信息不被克隆或冒用的方法成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。一些解決手段如EMV智能卡等使用了嵌入式芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁條來(lái)存儲(chǔ)身份數(shù)據(jù)，但這種仍然基于數(shù)學(xué)方法，依然可以訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)卡里的信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制或模擬，無(wú)法保證信息的真正安全。此時(shí)物理不可克隆函數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PUF)為其提供一種新型解決途徑。
[0003]PUF可廣泛應(yīng)用于身份認(rèn)證、IP保護(hù)、秘鑰生成等對(duì)安全要求極高的領(lǐng)域。主要分為電學(xué)PUF、光學(xué)PUF等。電學(xué)PUF特別是數(shù)字電路PUF，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工藝完全集成到嵌入式設(shè)備中，不需要特定的步驟或組件。但相較于光學(xué)PUF，更容易被攻擊和篡改:1、電學(xué)PUF基本不具備數(shù)學(xué)不可克隆性。其中涂層PUF、SRAM PUF、觸發(fā)器PUF和蝴蝶PUF，通過(guò)詳盡的讀出激勵(lì)-響應(yīng)對(duì)，可以很容易完成數(shù)學(xué)克??；對(duì)于仲裁器PUF和一些環(huán)形振蕩PUF，通過(guò)建模攻擊可實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)克隆。而光學(xué)PUF是至今為止唯一被證明具有數(shù)學(xué)不可克隆性的PUF。
2、涂層PUF的激勵(lì)太少(幾十個(gè))，一個(gè)隨機(jī)的激勵(lì)將有一定的概率得到特定響應(yīng)。其他的電學(xué)PUF輸出僅為單個(gè)比特，一個(gè)隨機(jī)的激勵(lì)將有50%的可能性得到正確響應(yīng)。因此電學(xué)PUF均不具有單向性。光學(xué)PUF中無(wú)序介質(zhì)與激勵(lì)光相互作用過(guò)程繁雜，無(wú)法得到特定的響應(yīng)，是唯一有可能具有物理單向性的PUF方法。3、迄今只有光學(xué)PUF和涂層PUF是明確具有防篡改性，其他PUF是否能防篡改還不得而知。此外，光學(xué)PUF中無(wú)序介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)包含的信息量巨大，無(wú)法對(duì)其準(zhǔn)確建模，微觀結(jié)構(gòu)上極小的改變會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)產(chǎn)生巨大改變，具有防篡改性，可同時(shí)作為認(rèn)證和秘鑰生成器，被稱(chēng)為“強(qiáng)PUF”，因此，光學(xué)PUF有著巨大的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子認(rèn)證的最佳途徑。
[0004]普通的光學(xué)PUF并不能防止盜竊者利用激光窺探得到PUF激勵(lì)-響應(yīng)對(duì)。Kursawe等人提出了可重構(gòu)PUF，指對(duì)于一個(gè)PUF常規(guī)的激勵(lì)-響應(yīng)行為增加一個(gè)稱(chēng)為重構(gòu)的操作。通過(guò)重構(gòu)可以使得該P(yáng)UF部分或者全部的激勵(lì)-響應(yīng)行為隨機(jī)地、不可逆轉(zhuǎn)地改變，形成一個(gè)全新的PUF，即對(duì)于隨機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理上的重構(gòu)。對(duì)于光學(xué)PUF的重構(gòu)Kursawe等人設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，采用包含隨機(jī)分布光散射玻璃PUF粒子的聚合物，當(dāng)強(qiáng)激光束照射光學(xué)介質(zhì)時(shí)，將局域地熔化光學(xué)介質(zhì)聚合物，使得光學(xué)散射粒子隨機(jī)重新排列；短時(shí)間照射后撤走激光，結(jié)構(gòu)冷卻重新分布的粒子被凍結(jié)，從而形成全新的激勵(lì)-響應(yīng)行為。但該結(jié)構(gòu)在敵方不采用強(qiáng)激光激發(fā)時(shí)就會(huì)失效，因此很難使敵人的窺探行為構(gòu)成對(duì)光學(xué)PUF的重構(gòu)行為，不能真正地實(shí)現(xiàn)防窺探光學(xué)PUF。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種可重構(gòu)并防窺探的光學(xué)PUF，該光學(xué)PUF可實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)和防窺探功能；基于金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)，在正常操作條件下，采用特殊選擇波長(zhǎng)的激光進(jìn)行激勵(lì)輻照時(shí)，不改變PUF的內(nèi)部構(gòu)造，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的散斑圖形；在非正常操作條件下，如敵方偷取PUF并采用激光進(jìn)行窺探時(shí)，對(duì)于特殊波長(zhǎng)以外的波長(zhǎng)，將會(huì)對(duì)PUF產(chǎn)生不可逆的破壞，從而制止敵方獲得PUF的內(nèi)部信息。
[0006]本發(fā)明提的技術(shù)方案如下:
一種可重構(gòu)并防窺探的光學(xué)PUF，其特征在于:包括襯底、介質(zhì)納米顆粒層和金屬納米粒子，介質(zhì)納米顆粒層位于襯底上面，介質(zhì)納米顆粒層內(nèi)隨機(jī)摻雜有不同粒徑的金屬納米粒子。
[0007]所述襯底的材料可以采用寶石片、石英玻璃、硅片、鋁、銅等中的一種。使用對(duì)可見(jiàn)光波段透明的襯底材料，可以同時(shí)利用光學(xué)PUF的反射散斑圖和透射散斑圖；使用對(duì)可見(jiàn)光不透明的襯底材料，則可以阻擋透射而利用反射散斑。為保證所述襯底足夠抵抗外界作用力，厚度應(yīng)大于50 μπι。
[0008]所述介質(zhì)納米顆粒層的材料可以采用氧化鋅、氧化鈦、磷化鎵、磷化銦、鈦酸鋇等中的一種或它們?nèi)我獾幕旌衔?。為保證獲得足夠信息量的散斑圖，應(yīng)滿(mǎn)足多重散射條件，即散射介質(zhì)厚度應(yīng)遠(yuǎn)大于光在其中傳播平均自由程的10倍，如對(duì)于200 nm粒徑的氧化鋅介質(zhì)，在632.8nm波長(zhǎng)處平均自由程約為700nm，則其厚度應(yīng)大于7 μ m。
[0009]在介質(zhì)納米顆粒層中隨機(jī)摻雜有不同粒徑的金屬納米粒子。金屬納米粒子的一個(gè)重要光學(xué)特性是具有很強(qiáng)的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，其物理根源是金屬納米粒子和入射光發(fā)生表面等離激元共振作用時(shí)，在金屬納米粒子的特定部位發(fā)生強(qiáng)烈的電荷集聚和振蕩效應(yīng)，在金屬納米粒子的近場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域電磁場(chǎng)，該部位稱(chēng)為“熱點(diǎn)”(hot spots)。金屬納米粒子的局域表面等離激元共振吸收波段受到粒子尺寸大小、幾何結(jié)構(gòu)、介電性能及周?chē)h(huán)境等因素影響，具有波段選擇性吸收特性。
[0010]所述金屬納米粒子可以采用金、銀、銅、鎳等中的一種，其粒徑大小范圍為2?200nm，其形狀為球體、橢球、圓柱、立方或多面體。
[0011]可采用化學(xué)方法、激光燒蝕法等在水溶液中制備金屬納米懸浮粒子，并與介質(zhì)納米粒子分散液混合，然后采用噴涂的方法生長(zhǎng)在襯底上，形成含金屬納米粒子的散射層。
[0012]本發(fā)明使用時(shí)的工作原理是:在正常操作條件下，采用特定波長(zhǎng)(吸收敏感)的激光進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，不會(huì)改變PUF內(nèi)部構(gòu)造，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的散斑圖形實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證；在非正常操作條件下，如敵方偷取PUF并采用特定波長(zhǎng)之外的激光進(jìn)行窺探時(shí)，金屬納米粒子受到激光照射發(fā)生局域表面等離激元共振吸收，由于金屬納米粒子的熔點(diǎn)比體材料低很多，當(dāng)激光窺探激光達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，金屬納米粒子將會(huì)熔化，導(dǎo)致原有光學(xué)PUF將產(chǎn)生不可逆的破壞，從而產(chǎn)生新的PUF，此時(shí)被窺探過(guò)(被重構(gòu))的PUF在身份認(rèn)證等應(yīng)用中將失效。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:
1、采用光學(xué)PUF，其內(nèi)部包含的無(wú)序介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含巨大的信息量，難以對(duì)其準(zhǔn)確建模，微觀結(jié)構(gòu)上極小的改變會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)產(chǎn)生巨大改變，這就保證了其防篡改性，可同時(shí)作為認(rèn)證和秘鑰生成器；若在光學(xué)PUF中加入金屬納米粒子，使得PUF的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，進(jìn)一步增加無(wú)序微結(jié)構(gòu)中所包含的信息量，在有限資源內(nèi)進(jìn)行克隆或者準(zhǔn)確建模的難度極大增加，形成一種具有更高防篡改性的新型光學(xué)PUF。
[0014]2、本發(fā)明具有防窺探特性，基于金屬納米粒子對(duì)光的選擇性共振吸收特性，不同粒徑大小、不同形狀的金屬納米粒子，可以有選擇性地吸收不同的波長(zhǎng)，在被特定波長(zhǎng)范圍以外的激光照射后會(huì)使得金屬納米粒子熔化，從而對(duì)PUF產(chǎn)生不可逆的破壞，達(dá)到防窺探目的。
[0015]3、本發(fā)明具有可重構(gòu)特性，當(dāng)PUF的激勵(lì)-響應(yīng)對(duì)使用完畢以后，還可利用其可重構(gòu)特性生成新的隨機(jī)散射結(jié)構(gòu)，得到新的PUF，無(wú)需再次經(jīng)過(guò)復(fù)雜工藝進(jìn)行制備。
[0016]4、對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)PUF，激勵(lì)狀態(tài)可能被探知，若已知激勵(lì)-響應(yīng)對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，該光學(xué)PUF極有可能被冒名認(rèn)證。而對(duì)于本發(fā)明的新型防窺探可重構(gòu)PUF，窺探的激光很大概率上會(huì)導(dǎo)致光學(xué)PUF內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)造，因此能夠在防篡改的基礎(chǔ)上同時(shí)防止窺探，實(shí)現(xiàn)雙重保險(xiǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中:1為襯底，2為介質(zhì)納米顆粒層，3為不同粒徑的金屬納米粒子；
圖2為本發(fā)明的金屬納米粒子相較于體材料熔點(diǎn)降低示意圖；
圖3為實(shí)施例1中針對(duì)500nm波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，摻雜不同長(zhǎng)軸大小橢球形銀納米粒子的局域表面等離激元共振吸收譜線(xiàn)；
圖4為實(shí)施例2中針對(duì)620nm波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，摻雜不同長(zhǎng)軸大小橢球形銀納米粒子的局域表面等離激元共振吸收譜線(xiàn)；
圖5為實(shí)施例3中針對(duì)680nm波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，摻雜不同長(zhǎng)軸大小橢球形銀納米粒子的局域表面等