前言 數(shù)字芯核電路版權保護技術與應用前言隨著IC(Integrated
Circuit)半導體集成電路技術的快速發(fā)展，數(shù)字電子產(chǎn)品的應用已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫藗儗τ谄浒踩缘年P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)成為信息時代所面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)之一，電路復用、抄板等電子處理技術與軟件在給IC設計企業(yè)帶來極大便利并降低生產(chǎn)周期的同時，也給非法企業(yè)竊取IC機密版權信息提供了可能。如果IC版權信息保護不當，那么半導體IC制造行業(yè)通常會在電子產(chǎn)品的知識產(chǎn)權IP(Intellectual
Property)保護上遭受到巨大的損失。如何對集成電子產(chǎn)品進行有效的知識產(chǎn)權的保護一直是計算機科學研究中的基本問題。
數(shù)字水印是一種用來鑒定文件版權信息的傳統(tǒng)技術。其名稱來源于紙質上的半透明標記的原始技術。近年來，為了保護其他格式文件的版權，類似技術的應用引起了人們極大的興趣，特別是數(shù)字水印技術在數(shù)字IP(Intellectual
Property)電路產(chǎn)品所有權保護上的應用［3-4］。顧名思義，數(shù)字芯核水印技術就是將數(shù)字信息嵌入到IP中并使之難以檢測和移除。隱藏的信息能夠唯一標識作者或者IP所有者，并且難以被人察覺。數(shù)字水印在必要時能作為證據(jù)提交法庭，以證明IP的所有權。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題。
數(shù)字芯核水印技術通常也稱為IP水印技術，它是一門應用芯核電路載體的冗余信息來隱藏秘密信息的新技術。它的概念起源于Foundry提供的安全標準單元庫，現(xiàn)指在可重復使用的集成電路模塊中隱藏特定的數(shù)字標記信息的方法。在數(shù)字芯核水印系統(tǒng)設計中，對數(shù)字芯核水印的興趣源于能夠使可復用IP技術得到健康的發(fā)展，合法IP模塊的復用設計可以保證IP設計更高的研發(fā)效率和減少上市周期［5-6］。本書重點關注數(shù)字IP設計中的IP知識產(chǎn)權保護問題。IP核可以通過多種形式進行描述。從硬件描述語言中的行為描述到實際布局，防止IP被不正當使用問題與IP提供者和開發(fā)集成軟件的計算機輔助設計公司都密切相關。芯核水印技術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信息。數(shù)字芯核水印技術在電子信息技術領域有著非常廣泛的應用前景。因此，研究芯核電路知識產(chǎn)權保護的關鍵技術不僅在實際應用中具有深遠的意義，而且該技術也為電路安全技術的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，如電路空間消耗過大、水印安全性較低、水印嵌入速度較慢等新問題。因此，如何來提高國家信息安全環(huán)境下的電路產(chǎn)品的版權保護與安全認證問題是我國信息安全技術快速發(fā)展的重要保障之一。
本書主要內(nèi)容為芯核電路知識產(chǎn)權保護的關鍵技術，主要包括基于混沌映射的芯核水印、基于FSM時間約束的芯核水印、現(xiàn)場可測試的芯核水印、分散隱藏策略的高容量芯核水印、零知識芯核水印盲檢測以及隱秘信息自恢復雙重芯核水印等方案內(nèi)容。全書內(nèi)容共四篇，總計九章。第一篇內(nèi)容共兩章，主要介紹了本書相關研究的意義、當前相關研究的背景知識以及芯核電路保護的基礎知識等。第二篇內(nèi)容共四章，主要介紹了芯核水印的相關技術方法，提出了一種基于混沌映射的芯核水印結構，提出了一種基于FSM冗余屬性特征的時間約束芯核水印方法，提出了一種適用于可測試環(huán)境下的多掃描鏈芯核水印算法，提出了一個支持高容量嵌入的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證明協(xié)議的芯核水印盲檢測方法，以及一種基于隱秘信息自恢復機制的雙重芯核水印認證算法。第四篇內(nèi)容共一章，主要介紹了一種自主開發(fā)的集成電路知識產(chǎn)權保護原型系統(tǒng)，本章重點介紹了原型系統(tǒng)中各種方法的水印嵌入、提取、檢測以及認證等工作。
本書的主要內(nèi)容是作者多年從事芯核水印技術研究的一點成果，本書的建議讀者對象為從事芯核電路設計及其應用等相關領域的研究人員。本書由湖南科技大學梁偉博士執(zhí)筆，徐建波教授統(tǒng)稿，李雄博士校稿。感謝湖南大學張大方教授和哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院崔愛嬌博士對本書的相關內(nèi)容提出了許多寶貴的意見，另外還感謝為本書校稿的博士生彭理、龍靜，碩士生盛勇、錢鑫等同學。
本書的出版得到湖南科技大學學術著作出版基金資助，同時還要感謝國家自然科學基金項目（61202462）、湖南省教育廳科學研究重點項目（14A047）、湖南省自然科學基金項目（13JJ3091）、湖南省自然科學基金湘潭聯(lián)合基金（11JJ9014）項目等的資助！
本書針對芯核電路知識產(chǎn)權保護的關鍵技術進行了淺顯的研究，由于學識淺陋，見聞不廣，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基礎（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(6)
1.3.2FSM芯核水印技術(9)
1.3.3可測試芯核水印技術(10)
1.4本書主要工作及結構(11)
2IP水印技術概述（18)
2.1數(shù)字IP設計基礎(18)
2.1.1IP的定義和分類(18)
2.2.2FPGA概述(21)
2.2.3FPGA內(nèi)部結構(23)
2.2.4FPGA的基本開發(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(32)
2.2.2面臨的困難和挑戰(zhàn)(36)
2.3數(shù)字芯核版權保護技術(38)
2.3.1芯片標簽加密技術(39)
2.3.2PUF物理版權保護技術(40)
2.4數(shù)字芯核水印檢測技術(43)
2.4.1數(shù)字芯核水印檢測需求分析(43)
2.4.2芯核水印安全檢測分析(44)
2.4.3水印性能的評估(45)
2.5工程設計流程與開發(fā)環(huán)境(46)
2.5.1ISE的設計流程(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(51)第二篇芯核水印關鍵技術（53)
3基于混沌映射技術的芯核水印方案（55)
3.1引言(55)
3.2混沌理論數(shù)學模型(57)
3.3混沌映射的芯核水印化過程(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實驗仿真(63)
3.5實驗結果比較(64)
3.5.1資源開銷性能(65)
3.5.2物理布局性能(66)
3.6本章小結(68)
4基于FSM特征的芯核水印方案（69)
4.1引言(69)
4.2問題描述和定義(71)
4.3水印嵌入原理(72)
4.4FSM芯核水印實現(xiàn)過程(75)
4.5FSM芯核水印設計實例(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水印驗證(80)
4.6算法性能分析(81)
4.6.1安全性(81)
4.6.2可檢測性(82)
4.7實驗結果分析與比較(84)
4.7.1仿真測試結果分析(84)
4.7.2抗攻擊性能分析(85)
4.7.3測試結果比較與評估(87)
4.8本章小結(88)
5現(xiàn)場可測試多掃描鏈芯核水印方案（90)
5.1引言(90)
5.2向量相關度數(shù)學模型(91)
5.3多掃描鏈芯核水印方法(95)
5.3.1總體設計思想(95)
5.3.2多掃描鏈水印結構(96)
5.4多掃描鏈芯核水印算法設計(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(101)
5.5實驗結果及性能分析(103)
5.5.1資源開銷驗證(103)
5.5.2可靠性實驗分析(107)
5.5.3抗攻擊性能(109)
5.6本章小結(110)
6高容量FPGA芯核水印方案（112)
6.1設計目標(112)
6.2相關數(shù)學模型建立(113)
6.2.1精簡壓縮模型(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芯核水印預處理算法(120)
6.4.4算法的實現(xiàn)過程(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性能開銷分析(130)
6.6實驗結果(130)
6.6.1仿真測試結果(130)
6.6.2物理布局結果(131)
6.7性能分析與比較(132)
6.7.1水印容量(132)
6.7.2額外開銷(133)
6.7.3安全性分析(136)
6.8本章小結(136)第三篇IP水印檢測與認證方案（139)
7基于零知識證明協(xié)議的芯核水印盲檢測方案（141)
7.1引言(141)
7.2零知識交互證明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、公正性和零知識性證明(144)
7.3零知識芯核水印算法(146)
7.3.1零知識水印生成(147)
7.3.2零知識水印嵌入(148)
7.3.3零知識水印提取(148)
7.4基于零知識證明協(xié)議的芯核水印盲檢測算法(149)
7.4.1整體置亂(149)
7.4.2分塊置亂(151)
7.4.3水印檢測(153)
7.4.4算法性能分析(156)
7.5實驗結果及分析(157)
7.5.1水印檢測穩(wěn)定性分析(157)
7.5.2安全分析(160)
7.6本章小結(163)
8基于隱秘內(nèi)容自恢復機制的芯核水印認證方案（164)
8.1引言(164)
8.2雙重IP水印生成(165)
8.3自恢復數(shù)學模型(166)
8.3.1恢復原理(166)
8.3.2映射關系(167)
8.4自恢復雙重芯核水印認證方法設計(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(170)
8.5實驗結果分析與比較(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水印自恢復能力評估(176)
8.6本章小結(177)第四篇數(shù)字IP水印實例設計與實現(xiàn)（179)
9數(shù)字IP水印原型系統(tǒng)（180)
9.1測試環(huán)境設置(181)
9.2混沌IP水印(181)
9.3時間約束IP水印(183)
9.4自恢復雙重芯核水印系統(tǒng)(186)
9.5零知識芯核水印認證系統(tǒng)(190)
9.6系統(tǒng)性能分析測試(195)
9.7本章小結(197)
結束語(198)
參考文獻(200)
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