片上提取CMOS图像传感器中新型物理不可克隆功能电路的研究

The CMOS image sensor has been widely used in many security areas such as biometric authentications, surveillance cameras, online payment and so on. However, as the basic CMOS image sensor has no security authentication mechanism, it is vulnerable to a middle-man monitoring, address tampering and replay attacks during sensing, imaging and transmission. As a result, the confidential information could be lost. Even the whole system could be destroyed. To address these security problems, this project aims at a IC design with high stability, high security, low power consumption and small area overhead. On the basis of our preliminary results, this research focuses on a unique “chip fingerprint” extraction from the inherent fixed pattern noise (FPN) of a CMOS image sensor so as to achieve low-cost and high security authentication, identification, encryption and other security features in the physical layer of an image sensor. Compared with the existing authentication methods that integrates generic cryptographic modules within the sensor, our proposal is advantageous on the cost, security, powers. The research will provide us a solid theoretical and practical support for the world's leading security applications based on the image sensor.

CMOS图像传感器已经广泛用于生物特征识别、监控监视、网络支付等安全领域，但由于CMOS图像传感器本身缺乏安全认证的机制，使得它在图像的传感、成像、传输过程中易受中间人监听、地址篡改、重复播放等攻击而导致机密信息丢失甚至整个系统瘫痪等后果。针对这些安全漏洞，本项目以CMOS图像传感器片上物理不可克隆功能的集成电路芯片设计及其在传感器本身和所拍图像的安全认证为研究对象，在前期成果的基础上，探索利用传感器中固定模式噪声来提取固有的、唯一且稳定的“芯片指纹”机制，进而实现低成本、高安全性的图像传感器及所拍图像的物理层级别的认证、识别和加密等安全功能。与现有的片上集成通用加密模块的认证方法相比，本项目所提系统在成本、安全性、功耗等方面都具有很大的优势。该项目的研究成果将为国际领先的基于图像传感器的安全应用系统提供坚实的理论和实践支持。

本项目原定的研究目标为“CMOS图像传感器片上物理不可克隆函数芯片的研制”。在研究CMOS图像传感器中固定模式噪声产生原因，以及在不同温度、电压、环境噪声下，固定模式噪声的变化规律，并且建立数学模型的基础上，研制CMOS图像处理器中物理不可克隆功能的提出电路，实现低功耗、高安全性、轻量级的传感器认证技术。进而实现多所拍的图像的真实性研制和溯源。具体的，完成了以下目标：1）提出一种基于阈值电压基准的PUF电路并对其验证，用于防伪、认证、密钥管理，不仅低功耗，而且具有较高的温度和电压稳定性；2）提出一种对于图像内容的混合攻击也具有较强鲁棒性的图像哈希算法并对其验证，用来检测接收到的图像与原图像是否一致，还可以检测出经过篡改的地方；3）实现用于安全远程温度感测的新的低成本的基于PUF温度传感器，特别适用于工业温度监测及物联网应用领域；4）提出一种基于物理不可克隆技术与生理特征的智能身份认证方法的方案，其特征在于，加密引擎的电子电路的内部结构在制造时就已经固定的特性，并且在收到外部的具有入侵性的攻击时电子电路的内在结构会有明显的改变；5）提出一种基于LB-PUF的轻量级认证电路及认证方案并对其验证，无需存储大量的激励-响应对（CRP），提高了对现有机器学习攻击的弹性，低成本和高安全性的优点对边缘网络中的资源受限设备具有吸引力；6）提出一种基于差分充电电容的可靠PUF电路并对其验证，该PUF电路在生成响应信号期间仅对所选择的PUF单元进行供电，降低了电路功率，同时电路的唯一性、可靠性、随机性等性能也具有明显的优势。该项目在执行期间共发表5篇SCI期刊论文，包括IEEE TCAS-I, IEEE TIFS等国际集成电路设计和信息安全领域的权威期刊。在项目执行期间共参加多次国内外知名会议（包括ISCAS、AsianHOST等），并发表了2篇EI会议。期间在2017年获亚洲硬件安全大会（AsianHOST）最佳论文奖提名,IEEE TCAS-I的Guillemin-Cauer最佳论文奖提名。项目培养硕士生2名，均已经取得硕士学位。