两种不同响应生成方式的BRPUFs的FPGA实现与对比研究

论文总字数：14633字

摘 要

PUF是一种物理函数，它根据其结构中发生的一些复杂物理现象，将激励(输入)映射到响应(输出)。

本文研究的是一种新的PUF结构——双稳态环PUF（BR-PUF）。并通过专家所留下的资料，我们基于现场可编程门阵列（FPGA）来实现的两种不同响生成方式的BR-PUF，从中将获得两种不同响应生成方式的BR-PUFs的可靠性，唯一性，随机性数据，将这两种数据进行对比，观察是否存在差异。具体工作如下：

1. 介绍课题的背景与意义。主要介绍的是课题研究的背景意义，国内目前研究的现状与本文所需要研究的内容。
2. 讲述了物理不可克隆函数（PUF）的技术。解析了PUF的原理与分类，分析了它的特性与所能够应用的主要场景。并详细介绍几种普遍常见的PUF结构，如BR PUF，SRAM PUF，RO PUF，A PUF和BR PUF。
3. 详细分析了本论文所选择的两种不同的响应生成方式的BR PUFs的原理，为了能获取两种BR PUFs的三种特性可靠性，唯一性，随机性，以FPGA为基础，运用Verilog硬件编程语言，在Xilinx LX110T开发板上实现测试。

关键词：物理密码学；现场可编程门阵列（FPGA）；物理不可调和函数；双稳态环PUF；强PUF

Abstract

PUF is a physical function that maps an excitation (input) to a response (output) based on some complex physical phenomenon occurring in its structure.

This paper studies a new PUF structure, bistable ring PUF (br-puf). According to the data left by experts, br-puf of two different response generation methods based on field programmable gate array (FPGA) will be obtained, and reliability, uniqueness and randomness data of br-pufs of two different response generation methods will be obtained. These two data will be compared to observe whether there are differences. The specific work is as follows:

(1) introduce the background and significance of the subject. This paper mainly introduces the background and significance of the research, the current situation of domestic research and the content of this paper.

(2) describes the technology of physical non-clonable function (PUF). The principle and classification of PUF are analyzed, and its characteristics and main scenarios are analyzed. It also introduces several common PUF structures, such as BR PUF, SRAM PUF, RO PUF, A PUF and BR PUF.

(3) the principle of BR PUFs with two different response generation methods selected in this paper was analyzed in detail. In order to obtain the reliability, uniqueness and randomness of the three characteristics of BR PUFs, the test was implemented on the Xilinx LX110T development board based on FPGA and Verilog hardware programming language.

Keywords ：Physical cryptography; Field Programmable Gate Array (FPGA); Physical irreconcilable function; Bistable ring PUF; Strong PUF.

目录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3论文研究内容及设计指标 2

1.3.1论文研究内容 2

1.3.2设计指标 2

1.4本文组织结构 2

第二章 物理不可克隆函数基础 3

2.1 PUFs的原理与分类 3

2.2 PUFs的特性 3

2.3 PUFs的应用场景 4

2.4 典型PUFs的结构与工作原理 5

2.5 本章小结 8

第三章 两种不同BR-PUFs 9

3.1 标准BR-PUFs 9

3.2改进型响应方式BR-PUFs 10

3.3本章小结 11

第四章 两种不同BR-PUFs的特性对比与分析 12

4.1实验平台 12

4.2 随机性 13

4.3 可靠性 13

4.4 唯一性 14

4.5 本章小结 15

第五章 总结与展望 16

5.1总结 16

5.2展望 16

致谢 17

参考文献 18

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

物理不可克隆函数 （PUF）概念被引入与形式化已经很长一段时间了，可以这么理解，PUF是一种物理函数，它根据其结构中发生的一些复杂物理现象，将激励(输入)映射到响应(输出)。因此可以很容易对其评估，但是却很难进行物理克隆，通过这些特性，PUF能够消除传统密码技术在入侵和非入侵侧通道攻击的部分固有漏洞，并能够基于其激励响应对（CRPs）对在各种安全应用、设备识别和激励响应认证中提供服务。我们之所以开始研究这个课题是因为需要对比两种新的BR PUF的特性差异，因为对于大多数激励来说所选择的BR配置需要很长的时间才能稳定下来，如果未解决的BRs处于振荡状态，其中所有阶段的输出随时间振荡，若我们在选定的BR配置解决之前评估响应，那么结果取决于采样瞬间的振荡相位。但是由于相位在一定程度上是随机的，所以响应也是随机的。这就会导致PUF的可靠性较低。以上是标准BR PUF所存在的问题。之所以选择使用改进型BR PUF，是因为可以对同一个挑战进行多次评估，以提高可靠性。

1.2国内外研究现状

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