论文总字数：23607字

摘 要

作为一种重要的硬件安全原语，物理不可克隆函数(PUF)利用集成电路不可控制的制造工艺差异生成具有唯一标志的签名数据，以其特有的轻量级和防篡改属性在芯片认证，随机数产生器和密钥生成等硬件安全领域具有极大优势现场可编程门阵列(FPGA)应用因其对电路设计可自由灵活配置的特点，自身的安全性和可靠性问题越来越受到关注，PUF技术可以从硬件层面为FPGA电路提供有效安全保护，以较少的开销获得更强的抵御安全风险能力。以下文中系统的分析了基于FPGA的前馈APUF的实现，也系统地分析了PUF的模型和相应的电路结构，总结并且分析了PUF电路结构在随机性，稳定性和资源消耗等性能方面的优化策略。FPGA的PUF技术的主要检验评价方法以及性能对比，介绍了前馈APUF在硬件安全领域中的典型应用，最后也对FPGA，PUF未来的发展趋势进行了展望，也对该技术未来所面临的挑战进行了猜想。

关键词：PUF，前馈APUF，电路设计，测试分析

English Title

Abstract

As an important hardware security primitive, the Physical Non-Clone Function (PUF) utilizes unmanageable manufacturing process differences in integrated circuits to generate signature data with unique signatures, with its unique lightweight and tamper-resistant properties for chip authentication, random The hardware security field such as the number generator and the key generation has great advantages. The field programmable gate array (FPGA) application has attracted more and more attention due to its free and flexible configuration of the circuit design, and its own security and reliability issues have attracted more and more attention. PUF technology can provide effective security protection for FPGA circuits from the hardware level, and obtain stronger protection against security risks with less overhead. The following system analyzes the implementation of FPGA-based feedforward APUF, systematically analyzes the PUF model and the corresponding circuit structure, summarizes and analyzes the optimization of PUF circuit structure in terms of randomness, stability and resource consumption. Strategy. The main test and evaluation methods and performance comparison of PUF technology of FPGA introduces the typical application of feedforward APUF in the field of hardware security. Finally, it also forecasts the future development trend of FPGA and PUF, and also challenges the future of this technology. I made a guess.

Keywords:PUF，feedforward APUF， circuit design， test analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章：绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 物理不可克隆函数的背景 1

1.2.1 PUF的简介 1

1.2.2 PUF的历史背景 2

1.2.3 应用背景 2

1.3 FPGA的简介 4

1.4 论文安排 4

1.4.1 课题研究意义 4

1.4.2 具体步骤及内容： 4

第二章物理不可克隆函数的介绍 6

2.1 PUF基本原理 6

2.2 几种PUF的原理 6

2.2.1 APUF的原理 6

2.2.2 SRAM PUF 6

2.2.3 RO PUF 7

2.3 PUF性能评估属性 7

2.3.1 不可克隆性 7

2.3.2 稳定性 7

2.3.3 唯一性 8

第三章建模攻击与前馈APUF 9

3.2 建模攻击算法 9

3.2.1 逻辑回归 9

3.2.2 进化策略 （Evolution S） 9

3.3 前馈APUF 9

4.1 整体结构 9

4.2 前馈APUF延时单元设计 11

4.3 调整电路模块设计 13

5.1 实验测试平台 13

5.2 性能结果分析 14

第四章总结与展望 16

6.1 设计经验总结 16

6.2 未来展望 16

致谢 17

参考文献 18

附录 19

第一章：绪论

1.1 课题研究背景

作为我们现实生活当中的一种新的硬件编程语言，物理不可克隆函数是可以在很多产品上去实现电路的硬件函数，它具有唯一性和随机性，因为在生活中生产制造过程中会受到各种不确定因素影响，导致误差的产生，所以物理不可克隆函数抓住这一点，可以实现一种新的函数功能，那就是激励信号和响应信号一一对应。物理不可克隆函数(PUF)是目前全球最先进的新兴技术，他的优点是安全性能高，成本低。它正在成为主流的信息安全产业的支撑，能够有效解决上述问题。PUFs的本质是很特殊的东西，它的特殊是由于它的操作难以控制，并且实验的结果无法预测、制造的芯片会存在差异，但是它能够抵入侵者的物理攻击，安全性极其高。仲裁器PUF（Arbiter PUF）是一种基于延时的PUF，由于其激励响应对个数与其电路面积成指数关系，被称为强PUF，现阶段我们主要研究它。当前APUF抵抗建模攻击一直是一个研究热点，前馈APUF是APUF的一个变种，相比普通APUF，其通过中间级的仲裁结果作为一部分激励，向APUF引入了非线性，增加了建模攻击的难度。近些年,以智能硬件为主的各种人工智能设备大规模普及,现在我们生活中的信息系统非常的简便,但是它们的使用环境过于丰富和复杂，所以会导致信息系统的抵抗外界入侵风险的能力变得很弱。作为一种重要的，全新的硬件编程语言,物理不可克隆函数利用芯片在制造的过程中存在误差这一点来产生一个唯一的新型数据。因为物理不可克隆函数拥有安全性能极高和唯一性这个优点，所以它在目前的物联网系统和硬件设备认证方面会有很大的应用前景，现场可编程门列阵（FPGA）在电路设计的过程中得到了广泛的应用，因为它具有自由灵活可以随意搭配的特点。但是它所存在的问题是安全性和可靠性受到了极大的挑战，受到人们越来越多的关注。物理不可克隆技术可以在硬件方面给运用FPGA技术设计的电路提供很好的安全保护，并且在设计过程中需要的成本低，所以利用低消耗来实现高安全是它的一大特点，和物理不可克隆函数技术的安全性能高，唯一性这些优点，来设计一个电路，基于FPGA的前馈APUF实现，我应用到了PUF技术当中的三个关键点：

1：可以随机体验出工艺的特点。

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