基于FPGA的新型强弱混合型PUF电路设计.docx

### 基于FPGA的新型强弱混合型PUF电路设计 #### 一、引言及背景 随着第四次工业革命的推进，信息安全成为各领域关注的重点。在此背景下，物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function，简称PUF）作为一种新兴的安全技术，因其独特的性质而在信息安全领域展现出广泛的应用前景。PUF利用集成电路制造过程中的微小差异来生成随机、唯一的特征密钥，这些密钥可用于身份验证、加密等多种用途。根据生成激励响应对（Challenge-Response Pair，简称CRP）的能力不同，PUF被分为弱PUF和强PUF两大类。 - **弱PUF**：仅能产生有限数量的CRP，主要用于密钥生成。常见的弱PUF包括SRAM PUF、Latch PUF等。 - **强PUF**：能够通过硬件资源重构产生大量CRP，主要用于设备认证。例如Optical PUF、Arbiter PUF (APUF)、Ring Oscillator PUF (RO-PUF)等。 #### 二、传统APUF电路分析 传统的APUF电路通过构建两条完全对称的信号传输路径，使得任何输入挑战都能产生一个唯一的响应。这种设计的核心在于利用电路内部的微小不对称性来生成随机性极高的响应。具体来说，当一个挑战输入到APUF时，它会沿着两条对称路径同时传播，最终到达一个仲裁器。仲裁器根据两个信号到达的时间差来决定输出哪一个路径的结果作为最终的响应。这种设计确保了即使是最微小的工艺偏差也能被放大并体现在最终输出上。 #### 三、新型强弱混合型PUF电路设计 针对现有PUF技术的局限性，本文提出了一种新型的强弱混合型PUF电路设计。该设计旨在结合弱PUF和强PUF的优点，使其在同一电路中既可以作为弱PUF使用，也可以作为强PUF使用。具体来说： - **弱PUF模式**：当只需要生成少量CRP时，如密钥生成场景，该电路可以配置为弱PUF拓扑结构，输出相互独立的响应。 - **强PUF模式**：当需要生成大量CRP时，如设备认证场景，该电路则转换为强PUF模式，利用硬件资源重构产生更多的CRP。 该设计的关键在于利用异或去相关技术来消除强PUF模式下产生的响应之间的相关性，确保输出响应的质量。此外，通过控制输入激励的汉明重量（Hamming Weight，简称HW），实现了从弱PUF到强PUF的平滑过渡。这种设计方法不仅提高了PUF的整体性能，还极大地拓宽了其应用场景。 #### 四、基于FPGA的实现 为了验证所提出的新型强弱混合型PUF的有效性，本文采用了Xilinx Artix-7 FPGA开发板进行了实现。通过搭建内建自测试平台，对PUF的随机性、唯一性和可靠性进行了详尽的评估。实验结果显示，该PUF在不引入额外的非线性元素和增加电路复杂度的情况下，相比传统APUF具有更强的抗攻击能力。 #### 五、结论 本文提出了一种基于FPGA的新型强弱混合型PUF电路设计。该设计充分利用了弱PUF和强PUF的特点，实现了在同一电路结构下两种模式的灵活切换。实验结果证明，这种新型PUF在保持良好安全特性的同时，大大拓展了其应用范围。未来的研究方向将着眼于进一步优化电路结构，提高PUF的安全性能，并探索更多应用场景。