论文总字数：15538字

摘 要

本文是基于FPGA的标准APUF的实现的设计报告，在文章中对选题的背景与意义进行了充分的分析，同时查阅了大量的国内外研究资料，了解了课题在实现时将会遇到的主要难点与相应的解决方案。同时对物理不可克隆函数进行了简述，梳理了APUF电路的定量性能指标即：随机性、稳定性、正确性、扩散性和唯一性，对APUF电路有了一定的了解。最后在了解APUF的实现框架与基本原理的情况下，在FPGA的开发环境中完成了对标准的APUF的实现，并在开发板上进行了相应的数据测试并对所测得的数据进行相应分析，基本达到了可靠性90%以上，唯一性20%以上的要求。

关键词：物理不可克隆函数；仲裁PUF性能指标；FPGA；可靠性；唯一性

English Title

Abstract

This paper is a design report based on the implementation of FPGA-based standard APUF. In the article, the background and significance of the topic are fully analyzed. At the same time, a large number of domestic and foreign research materials are consulted to understand the main difficulties in the realization of the project. At the same time, the physical unclonable function is briefly described, and the quantitative performance indicators of APUF circuit are summarized: randomness, stability, correctness, diffusivity and uniqueness. The APUF circuit has a certain understanding. Finally, in the context of understanding the implementation framework and basic principles of APUF, the implementation of the standard APUF is completed in the FPGA development environment, and the corresponding data is tested on the development board and the measured data is analyzed accordingly. , basically achieved the reliability of more than 90%, the uniqueness of more than 20% of the requirements.

Keywords:Physical Unclonable Function (PUF); Arbiter PUF; FPGA;uniqueness；reliability

目录

摘要 I

Abstract II

第一章引 言 1

1.1 选题的意义与背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 物理不可克隆函数的实现难点 2

1.4 内容安排 3

第二章 物理不可克隆函数 4

2.1 PUF电路原理及特点 4

2.2 APUF的性能指标 4

2.2.1 正确ID的生成 5

2.2.2 随机性 5

2.2.3 稳定性 7

2.2.4 正确性 7

2.2.5 唯一性 8

2.2.6 扩散性 9

第三章 基于FPGA的仲裁APUF实现 11

3.2 基于FPGA的实现 12

第四章 设计结果与分析 15

4.1 实验结果与分析 15

第五章结束语 18

5.1 总结与展望 18

致谢 19

参考文献 20

第一章引 言

1.1 选题的意义与背景

近年来，电子产品的隐私安全问题已经成为一个热点问题。在非易失性存储器中存储密钥的传统加密协议的手段，很轻易遭到侵入式进犯和非侵入式进犯等物理进犯。物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function，PUF）的出现一定程度上解决了上述问题。PUF作为一种硬件加密原语,具有较好的安全特性，其本质是一个物理函数。这个物理函数是因为器件制造过程中不可控制的、随机的制造差别，按照输入激励输出独一的响应。这种特性使得PUF可以作为芯片唯一的特征信息用于身份认证、IP保护、密钥生成以及随机数发生器等领域。根据激励响应对（challenge-response pairs，CRPs）的数量，PUF有“强”PUF和“弱”PUF两类之分。“强”PUF有指数级的CRPs，主要应用于认证。“弱”PUF的CRPs很少，主要应用于创造密钥。仲裁器物理不可克隆函数（arbiter Physical Unclonable Function，APUF）是一种十分具有代表性的“强”PUF，主要应用于认证系统。基于FPGA的标准APUF研究对其性能提升，产业化有着重要意义^[1]。

作为一种信息安全保护技术，物理不可克隆函数有以下几个要点：第一，费用消耗较低。第二，安全性能较好。第三，功率消耗比较低。首先，物理不可克隆函数作为一种新型信息安全保护手段，因为每一款操纵设备的内部构造不可能完全相同，每一块芯片只可能产生唯一的激励响应，借此实现了芯片的唯一性认证，没有其他存储区域和遮挡措施。因 此，成本开小更小是物理不可克隆函数相较于传统安全信息保护措施的优点。其次，在实际运用中，物理不可克隆函数只是产生响应的激励但是并不存储秘密信息，此外，输出响应是不会存在很长的时间的。一旦将PUF电路断电，输出响应会被抑制。所以，若是攻击者想要盗取物理不可克隆函数的输出响应，他的行动只能在输出响应的过程当中进行。作为一种信息安全庇护手段，物理不可克隆函数大大缩短了留给攻击者的实行盗取行动的时间，并高速提高了被保护信息的安全性。而且因为物理不可克隆函数在实际运用中并不会在储存一些敏感信息，所以只有当他被输入激励时才会得到相应响应，因此，它的功率损耗比其他运用小得多。就是由于它所具备的各种突出性能，如上文说到的安全性能高和功率损耗较小，因此作为一种在庇护硬件安全方面的具有无可比拟的优势技术，正在受到来自全球的科研人员的瞩目，充分提升物理不可克隆函数的安全性是所有科研人员的研究目标。在众多类型的物理不可克隆函数中，仲裁物理不可克隆函数（Arbiter Physical Unclonable Functions,APUF）是一种拥有大量的激励响应对典型的强物理不可克隆函数，在设备认证以和芯片身份识别领域有着很大的应用前景。

在设备认证和信息保护领域传统加密算法应用实例特别丰富，例如AES、RSA、哈希函数和数字签名。但是这种方式主要的做法是建立密钥，用户只有在知道密钥的情况下才能读取消息或是通过认证。若是不慎遗忘或是泄露密钥，则无法保证信息的安全，因此在传统的加密算法系统中，密钥是不可或缺的重要一环。21世纪初开始，人们陆续提出一提出了物理单向函数、物理随机函数，还有物理不可克隆函数的想法。让PUF电路借助集成电路制造过程中栅级电路或导线之间制造工艺不一致的原因产生一个随机性的响应^[1]。如果PUF的响应信号是一个加密密钥，那么就不需要再用一个存储器来存储这个密钥，一旦给设备通上电，PUF电路便会自动生成一个响应信号，设备断电后，响应信号也会随之消失，借此来提高安全密钥的可靠性，并且实现这个函数功能的电路是不能被复制。每一个PUF 电路可以实现输入激励（challenge）信号和输出响应（response）。每个激励信号在施加到PUF电路后都会产生与之相对应的独一无二的响应信号，这就是PUF 电路的激励—响应对（Challenge-Response Pairs，CRPs）关系，且PUF电路中CRPs的数量的多少是衡量一个PUF电路是否安全的重要标志。当PUF电路应用于身份认证、射频识别以及硬件知识产权保护等领域中时，要求每次操作时使用不同的激励—响应对，借此来防御重放攻击，由此可知，PUF电路激激励响应对的数量越多越好。

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