前言 數(shù)字芯核電路版權(quán)保護(hù)技術(shù)與應(yīng)用前言隨著IC(Integrated
Circuit)半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字電子產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫藗儗?duì)于其安全性的關(guān)注度也與日俱增［1-2］。偽造、克隆、逆向工程以及在產(chǎn)品中加入惡意元器件等行為已經(jīng)成為信息時(shí)代所面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，電路復(fù)用、抄板等電子處理技術(shù)與軟件在給IC設(shè)計(jì)企業(yè)帶來(lái)極大便利并降低生產(chǎn)周期的同時(shí)，也給非法企業(yè)竊取IC機(jī)密版權(quán)信息提供了可能。如果IC版權(quán)信息保護(hù)不當(dāng)，那么半導(dǎo)體IC制造行業(yè)通常會(huì)在電子產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP(Intellectual
Property)保護(hù)上遭受到巨大的損失。如何對(duì)集成電子產(chǎn)品進(jìn)行有效的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)一直是計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中的基本問(wèn)題。
數(shù)字水印是一種用來(lái)鑒定文件版權(quán)信息的傳統(tǒng)技術(shù)。其名稱(chēng)來(lái)源于紙質(zhì)上的半透明標(biāo)記的原始技術(shù)。近年來(lái)，為了保護(hù)其他格式文件的版權(quán)，類(lèi)似技術(shù)的應(yīng)用引起了人們極大的興趣，特別是數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字IP(Intellectual
Property)電路產(chǎn)品所有權(quán)保護(hù)上的應(yīng)用［3-4］。顧名思義，數(shù)字芯核水印技術(shù)就是將數(shù)字信息嵌入到IP中并使之難以檢測(cè)和移除。隱藏的信息能夠唯一標(biāo)識(shí)作者或者IP所有者，并且難以被人察覺(jué)。數(shù)字水印在必要時(shí)能作為證據(jù)提交法庭，以證明IP的所有權(quán)。通常，數(shù)字水印的存在能夠防止IP的非法使用，從而避免了法律訴訟問(wèn)題。
數(shù)字芯核水印技術(shù)通常也稱(chēng)為IP水印技術(shù)，它是一門(mén)應(yīng)用芯核電路載體的冗余信息來(lái)隱藏秘密信息的新技術(shù)。它的概念起源于Foundry提供的安全標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，現(xiàn)指在可重復(fù)使用的集成電路模塊中隱藏特定的數(shù)字標(biāo)記信息的方法。在數(shù)字芯核水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)數(shù)字芯核水印的興趣源于能夠使可復(fù)用IP技術(shù)得到健康的發(fā)展，合法IP模塊的復(fù)用設(shè)計(jì)可以保證IP設(shè)計(jì)更高的研發(fā)效率和減少上市周期［5-6］。本書(shū)重點(diǎn)關(guān)注數(shù)字IP設(shè)計(jì)中的IP知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題。IP核可以通過(guò)多種形式進(jìn)行描述。從硬件描述語(yǔ)言中的行為描述到實(shí)際布局，防止IP被不正當(dāng)使用問(wèn)題與IP提供者和開(kāi)發(fā)集成軟件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)公司都密切相關(guān)。芯核水印技術(shù)是最直接的解決方法，它能從電子產(chǎn)品中有效地提取出電路的原始版權(quán)信息。數(shù)字芯核水印技術(shù)在電子信息技術(shù)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。因此，研究芯核電路知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)不僅在實(shí)際應(yīng)用中具有深遠(yuǎn)的意義，而且該技術(shù)也為電路安全技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，如電路空間消耗過(guò)大、水印安全性較低、水印嵌入速度較慢等新問(wèn)題。因此，如何來(lái)提高國(guó)家信息安全環(huán)境下的電路產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)與安全認(rèn)證問(wèn)題是我國(guó)信息安全技術(shù)快速發(fā)展的重要保障之一。
本書(shū)主要內(nèi)容為芯核電路知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括基于混沌映射的芯核水印、基于FSM時(shí)間約束的芯核水印、現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)試的芯核水印、分散隱藏策略的高容量芯核水印、零知識(shí)芯核水印盲檢測(cè)以及隱秘信息自恢復(fù)雙重芯核水印等方案內(nèi)容。全書(shū)內(nèi)容共四篇，總計(jì)九章。第一篇內(nèi)容共兩章，主要介紹了本書(shū)相關(guān)研究的意義、當(dāng)前相關(guān)研究的背景知識(shí)以及芯核電路保護(hù)的基礎(chǔ)知識(shí)等。第二篇內(nèi)容共四章，主要介紹了芯核水印的相關(guān)技術(shù)方法，提出了一種基于混沌映射的芯核水印結(jié)構(gòu)，提出了一種基于FSM冗余屬性特征的時(shí)間約束芯核水印方法，提出了一種適用于可測(cè)試環(huán)境下的多掃描鏈芯核水印算法，提出了一個(gè)支持高容量嵌入的FPGA芯核水印方法等。第三篇內(nèi)容共兩章，主要介紹了基于零知識(shí)證明協(xié)議的芯核水印盲檢測(cè)方法，以及一種基于隱秘信息自恢復(fù)機(jī)制的雙重芯核水印認(rèn)證算法。第四篇內(nèi)容共一章，主要介紹了一種自主開(kāi)發(fā)的集成電路知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)原型系統(tǒng)，本章重點(diǎn)介紹了原型系統(tǒng)中各種方法的水印嵌入、提取、檢測(cè)以及認(rèn)證等工作。
本書(shū)的主要內(nèi)容是作者多年從事芯核水印技術(shù)研究的一點(diǎn)成果，本書(shū)的建議讀者對(duì)象為從事芯核電路設(shè)計(jì)及其應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究人員。本書(shū)由湖南科技大學(xué)梁偉博士執(zhí)筆，徐建波教授統(tǒng)稿，李雄博士校稿。感謝湖南大學(xué)張大方教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院崔愛(ài)嬌博士對(duì)本書(shū)的相關(guān)內(nèi)容提出了許多寶貴的意見(jiàn)，另外還感謝為本書(shū)校稿的博士生彭理、龍靜，碩士生盛勇、錢(qián)鑫等同學(xué)。
本書(shū)的出版得到湖南科技大學(xué)學(xué)術(shù)著作出版基金資助，同時(shí)還要感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61202462）、湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A047）、湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（13JJ3091）、湖南省自然科學(xué)基金湘潭聯(lián)合基金（11JJ9014）項(xiàng)目等的資助！
本書(shū)針對(duì)芯核電路知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了淺顯的研究，由于學(xué)識(shí)淺陋，見(jiàn)聞不廣，必有許多不足之處，望同行指正。 梁偉
2015年4月 目錄
前言（1)
第一篇芯核水印技術(shù)基礎(chǔ)（1)
1緒論（2)
1.1研究意義(2)
1.2研究背景(4)
1.3研究現(xiàn)狀(6)
1.3.1FPGA芯核水印技術(shù)(6)
1.3.2FSM芯核水印技術(shù)(9)
1.3.3可測(cè)試芯核水印技術(shù)(10)
1.4本書(shū)主要工作及結(jié)構(gòu)(11)
2IP水印技術(shù)概述（18)
2.1數(shù)字IP設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(18)
2.1.1IP的定義和分類(lèi)(18)
2.2.2FPGA概述(21)
2.2.3FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)(23)
2.2.4FPGA的基本開(kāi)發(fā)流程(27)
2.2數(shù)字IP水印概念(29)
2.2.1數(shù)字芯核水印特點(diǎn)(32)
2.2.2面臨的困難和挑戰(zhàn)(36)
2.3數(shù)字芯核版權(quán)保護(hù)技術(shù)(38)
2.3.1芯片標(biāo)簽加密技術(shù)(39)
2.3.2PUF物理版權(quán)保護(hù)技術(shù)(40)
2.4數(shù)字芯核水印檢測(cè)技術(shù)(43)
2.4.1數(shù)字芯核水印檢測(cè)需求分析(43)
2.4.2芯核水印安全檢測(cè)分析(44)
2.4.3水印性能的評(píng)估(45)
2.5工程設(shè)計(jì)流程與開(kāi)發(fā)環(huán)境(46)
2.5.1ISE的設(shè)計(jì)流程(46)
2.5.2Modelsim的功能仿真(48)
2.5.3FPGA綜合工具Synplify(49)
2.6本章小結(jié)(51)第二篇芯核水印關(guān)鍵技術(shù)（53)
3基于混沌映射技術(shù)的芯核水印方案（55)
3.1引言(55)
3.2混沌理論數(shù)學(xué)模型(57)
3.3混沌映射的芯核水印化過(guò)程(58)
3.3.1LUT水印嵌入原理(59)
3.3.2混沌芯核水印嵌入(60)
3.3.3混沌芯核水印提取(61)
3.4性能分析及仿真(62)
3.4.1性能分析(62)
3.4.2實(shí)驗(yàn)仿真(63)
3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較(64)
3.5.1資源開(kāi)銷(xiāo)性能(65)
3.5.2物理布局性能(66)
3.6本章小結(jié)(68)
4基于FSM特征的芯核水印方案（69)
4.1引言(69)
4.2問(wèn)題描述和定義(71)
4.3水印嵌入原理(72)
4.4FSM芯核水印實(shí)現(xiàn)過(guò)程(75)
4.5FSM芯核水印設(shè)計(jì)實(shí)例(77)
4.5.1水印生成(77)
4.5.2水印嵌入(78)
4.5.3水印提取(79)
4.5.4水印驗(yàn)證(80)
4.6算法性能分析(81)
4.6.1安全性(81)
4.6.2可檢測(cè)性(82)
4.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與比較(84)
4.7.1仿真測(cè)試結(jié)果分析(84)
4.7.2抗攻擊性能分析(85)
4.7.3測(cè)試結(jié)果比較與評(píng)估(87)
4.8本章小結(jié)(88)
5現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)試多掃描鏈芯核水印方案（90)
5.1引言(90)
5.2向量相關(guān)度數(shù)學(xué)模型(91)
5.3多掃描鏈芯核水印方法(95)
5.3.1總體設(shè)計(jì)思想(95)
5.3.2多掃描鏈水印結(jié)構(gòu)(96)
5.4多掃描鏈芯核水印算法設(shè)計(jì)(98)
5.4.1多掃描鏈芯核水印嵌入(98)
5.4.2多掃描鏈芯核水印檢測(cè)(101)
5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析(103)
5.5.1資源開(kāi)銷(xiāo)驗(yàn)證(103)
5.5.2可靠性實(shí)驗(yàn)分析(107)
5.5.3抗攻擊性能(109)
5.6本章小結(jié)(110)
6高容量FPGA芯核水印方案（112)
6.1設(shè)計(jì)目標(biāo)(112)
6.2相關(guān)數(shù)學(xué)模型建立(113)
6.2.1精簡(jiǎn)壓縮模型(113)
6.2.2分散隱藏策略模型(114)
6.3芯核水印算法流程(115)
6.4基本算法(116)
6.4.1芯核水印生成算法(117)
6.4.2芯核水印加密算法(118)
6.4.3芯核水印預(yù)處理算法(120)
6.4.4算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程(121)
6.4.5芯核水印嵌入算法(122)
6.4.6芯核水印提取算法(127)
6.5算法分析(129)
6.5.1可信度分析(129)
6.5.2透明性分析(130)
6.5.3性能開(kāi)銷(xiāo)分析(130)
6.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果(130)
6.6.1仿真測(cè)試結(jié)果(130)
6.6.2物理布局結(jié)果(131)
6.7性能分析與比較(132)
6.7.1水印容量(132)
6.7.2額外開(kāi)銷(xiāo)(133)
6.7.3安全性分析(136)
6.8本章小結(jié)(136)第三篇IP水印檢測(cè)與認(rèn)證方案（139)
7基于零知識(shí)證明協(xié)議的芯核水印盲檢測(cè)方案（141)
7.1引言(141)
7.2零知識(shí)交互證明ZKP協(xié)議(143)
7.2.1初始化階段(143)
7.2.2鑒別階段(143)
7.2.3完備性、公正性和零知識(shí)性證明(144)
7.3零知識(shí)芯核水印算法(146)
7.3.1零知識(shí)水印生成(147)
7.3.2零知識(shí)水印嵌入(148)
7.3.3零知識(shí)水印提取(148)
7.4基于零知識(shí)證明協(xié)議的芯核水印盲檢測(cè)算法(149)
7.4.1整體置亂(149)
7.4.2分塊置亂(151)
7.4.3水印檢測(cè)(153)
7.4.4算法性能分析(156)
7.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析(157)
7.5.1水印檢測(cè)穩(wěn)定性分析(157)
7.5.2安全分析(160)
7.6本章小結(jié)(163)
8基于隱秘內(nèi)容自恢復(fù)機(jī)制的芯核水印認(rèn)證方案（164)
8.1引言(164)
8.2雙重IP水印生成(165)
8.3自恢復(fù)數(shù)學(xué)模型(166)
8.3.1恢復(fù)原理(166)
8.3.2映射關(guān)系(167)
8.4自恢復(fù)雙重芯核水印認(rèn)證方法設(shè)計(jì)(168)
8.4.1雙重水印嵌入(168)
8.4.2雙重水印提取(170)
8.4.3雙重水印恢復(fù)(170)
8.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與比較(172)
8.5.1算法安全性能分析(172)
8.5.2物理布局效果圖(174)
8.5.3水印嵌入容量(175)
8.5.4水印自恢復(fù)能力評(píng)估(176)
8.6本章小結(jié)(177)第四篇數(shù)字IP水印實(shí)例設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（179)
9數(shù)字IP水印原型系統(tǒng)（180)
9.1測(cè)試環(huán)境設(shè)置(181)
9.2混沌IP水印(181)
9.3時(shí)間約束IP水印(183)
9.4自恢復(fù)雙重芯核水印系統(tǒng)(186)
9.5零知識(shí)芯核水印認(rèn)證系統(tǒng)(190)
9.6系統(tǒng)性能分析測(cè)試(195)
9.7本章小結(jié)(197)
結(jié)束語(yǔ)(198)
參考文獻(xiàn)(200)
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