论文总字数：26761字

摘 要

常规的基于仲裁器的物理不可克隆函数在现场可编程阵列（FPGA）上实现存在诸如唯一性较差，安全性较低和资源消耗较大等问题。本文中，我们在保持了较好的唯一性和安全性的条件下，完成了一种较低资源消耗的仲裁器物理不可克隆函数在FPGA上的实现。

本文讨论了PUF的优势及应用，分析了PUF的几个关键特性，实现了原始的APUF电路结构。通过复制选择器链，构造了多重仲裁器，如2-1双仲裁器PUF结构（2-1 DPUF）, 3-1双仲裁PUF结构（3-1 DPUF），我们分析了其电路原理及优势。然后以较为复杂的Slice MUX来替代MUX，设计了一种较低资源消耗的仲裁器PUF电路，较好地利用Slice之间的对称性来利用内部组合逻辑资源来提升了唯一性和降低资源消耗。

通过实验测量原始的PUF结构，2-1 DPUF,3-1 DPUF改进的PUF结构的间内海明距离和片内海明距离，实验结果表明，新型仲裁器物理不可克隆函数的唯一性和稳定性比较接近多重仲裁器，并且比另外常规仲裁器PUF减少了62.5%的资源消耗，并且唯一性接近于理想值，完成了对基于仲裁器的物理不可克隆函数的改进。

关键词：仲裁器物理不可克隆函数，现场可编程逻辑阵列，片间海明距离，片内海明距离

Abstract

The uniqueness, stability, and resource consumption of machine learning attacks are the main problem of arbitrator-based physical unclonable functions (APUF) implemented on field programmable arrays (FPGAs). In this paper, we effectively implement a lower resource consuming arbitrator for physical cloning functions of the FPGA.

We discussed the advantages and applications of PUF, analyzed several key features of PUF, and realized the original APUF circuit structure. Through the replication selector chain, we constructed a multi-arbiter, such as 2-1 double arrester PUF structure (2-1 DPUF), 3-1 double arbitration PUF structure (3-1 DPUF)，we analyzed its circuit principle and advantages. And then through replacing Slice MUX for MUX, we successfully used Slice symmetry and internal combinatorial logic resources to enhance the uniqueness and reduce resource consumption.

We implemented experiments to measure the inner Hamming distance and the on-chip Hamming distance of the original PUF structure, 2-1 DPUF，3-1 DPUF and the low-consumption PUF. The experimental results show that the uniqueness and stability of the non-clone function of the new arbiter is close to the multiple arbiter but has saved 62.5% resource consumption of the common arbiter PUFs. Eventually, we complete the improvement of the physical cloning function based on the arbiter.

KEY WORDS: arbiter physical unclonable function(APUF), field-programmable gate array(FPGA), inter-chip hamming distance, intra-chip hamming distance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及现状 1

1.2 课题的研究意义 1

1.3 本文的主要结构 2

1.3.1 本文主要研究内容 2

1.3.2 本文的章节安排 2

第二章 物理不可克隆函数综述 4

2.1物理不可克隆函数概念 4

2.1.1 物理不可克隆函数的定义、优势及应用 4

2.1.2 物理不可克隆函数的重要属性 5

2.1.3 物理不可克隆函数的分类 5

2.2 基于仲裁器的物理不可克隆函数 6

2.2.1 基于仲裁器的物理不可克隆函数的电路原理 6

2.2.2 基于仲裁器的物理不可克隆函数的重要属性 7

第三章 基于仲裁器的PUF电路方案 9

3.1 基本仲裁方案 9

3.2 基本仲裁方案的电路实现 9

3.3 基于仲裁的PUF方案安全性讨论 11

3.4 基本仲裁方案实验结果 12

第四章 基于仲裁器的PUF电路改进方案 15

4.1 多重仲裁器PUF电路设计 15

4.2 低资源消耗的仲裁器PUF电路设计 16

第五章 方案实现与实验结果分析 17

5.1仲裁器PUF方案的实现 17

5.2 多重仲裁器PUF方案实验分析 23

5.2.1 传统仲裁器PUF与双重仲裁器PUF变异率比较 23

5.2.2 传统仲裁器PUF与多重仲裁器综合特性比较 24

5.3 低资源消耗的仲裁器PUF实验分析 25

5.3.1 改进仲裁器PUF的唯一性分析 25

5.3.2 改进仲裁器PUF的稳定性分析 26

5.3.3 改进的仲裁器PUF方案各项参数比较 27

第六章 总结与展望 28

6.1 本文的研究结果 28

6.2进一步的研究方向 28

参考文献 30

致 谢 32

第一章 绪论

本章总体介绍了关于仲裁器物理不可克隆函数的研究背景，以及当前国内外的研究现状，分析了当前研究存在的一些普遍性问题，并总结了此课题的研究意义。

1.1 研究背景及现状

近些年来，随着信息技术发展，与我们生活相关的诸多产品都与互联网相连并受计算机控制。因此，机器对机器通信越来越普遍，为了安全起见，需要这些机器之间的安全认证，从而避免一些虚假的集成电路问题。物理不可克隆函数（physical unclonable function，PUF）的概念随之被提出，它借鉴了人类的特征如指纹、彩虹膜等对个人实现识别的思想，基于物理实体内在的物理构造唯一识别单个实体的思路。PUF是对一个物理实体输入一个激励，利用它的物理构造的随机性输出一个不可预测的响应这样一个物理不可克隆函数。

PUF的实现不仅适用于集成电路，而且在现场可编程阵列（field-programmable gate array，FPGA）上也有广泛运用，FPGA嵌入在需要定制安全的产品中，拥有较低的生产成本，也有广泛的运用空间。目前，研究者们已经提出了许多类型的PUF，其中大致可分为基于内存的PUF与基于延迟的PUF。本课题研究的基于仲裁器的PUF属于基于延迟的PUF，它利用了来自电路中的信号传播延时信息，虽然目前基于仲裁器的物理不可克隆函数具有较大的挑战空间，可以允许使用许多挑战来适应自己的芯片识别和认证，但是挑战与反应之间的关系不可过于复杂，否则将无法准确预测。

1.2 课题的研究意义

物联网设备通常资源有限，功率预算有限，物理不可克隆功能（PUF）在物联网中已经成为设备认证的基地。与传统的加密原语不同，PUF不需要在设备存储器中持久存在秘密密钥来识别。相反，一个数字（通常是指数级的）随机但唯一的设备信号通过查询具有不同刺激的活性PUF电路可以产生透视。这种挑战 - 响应映射机制是由于其不可预测的制造过程变异性而导致的物理障碍系统的内在特征。即使使用相同的掩模，由于掺杂剂的随机分布和光刻反应，所得到的器件失配将导致相同PUF电路的每个实例产生对相同挑战的明显不同的响应。因此，通过询问PUF产生的响应因此可以用作作为人类生物特征分享大量所需的安全特征的设备签名。其中两个最重要的特征是：不可能对PUF实例进行精确的物理克隆，并且概率上也不可能有两个PUF实例对相同的挑战产生相同的响应。前者给予PUF其名称，后者赋予其不可否认性的设备认证。

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