鐘 杰，雷顏銘，王 溢，程麗君

（1.中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041；2.國家國防科技工業(yè)局信息中心，北京 100039）

0 引 言

嵌入式設(shè)備在工業(yè)、商業(yè)、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)向著小型化、低功耗發(fā)展，促使適用于通用設(shè)備的輕量級(jí)認(rèn)證技術(shù)具有了更廣泛的需求?，F(xiàn)有的可信體系通常基于證書認(rèn)證、接入控制和密碼服務(wù)等，具有較高的安全系數(shù)。但是，由于各類攻擊手段層出不窮，傳統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)對(duì)于移動(dòng)終端的有效防護(hù)能力逐漸退化，且引入多種安全策略和防護(hù)手段對(duì)系統(tǒng)的通信帶寬、計(jì)算能力、組網(wǎng)能力等整體資源的開銷均提出了較嚴(yán)苛的要求。此外，還存在本地存儲(chǔ)敏感信息、難以抵抗側(cè)信道攻擊、設(shè)備價(jià)格過高的問題。

借鑒生物指紋的概念，人們提出了硬件設(shè)備物理指紋/物理不可克隆函數(shù)（Physical Unclonable Function，PUF）的概念。在設(shè)備生產(chǎn)過程中，工藝問題造成的物理組件的隨機(jī)性誤差不可避免（如在芯片加工時(shí)氧化層厚度的不均勻性），且由于硬件加工的相互獨(dú)立，這種誤差具有穩(wěn)定性、唯一性和差異性。在相同輸入條件下，PUF將會(huì)獲得相同的輸出響應(yīng)，指紋生成是可重復(fù)的；無法通過設(shè)計(jì)使不同的輸入獲得相同的輸出響應(yīng)；改變PUF的輸入條件，PUF的輸出將會(huì)發(fā)生變化且無法預(yù)測(cè)。實(shí)踐證明，這種誤差對(duì)物理組件本身的功能和性能并不會(huì)造成影響，但可以通過算法將其進(jìn)行提取和放大，進(jìn)一步作為物理組件的固有屬性加以區(qū)分和標(biāo)識(shí)[1]?；谠O(shè)備物理指紋的認(rèn)證加密技術(shù)能夠大大減少設(shè)備計(jì)算、存儲(chǔ)和通信開銷，同時(shí)由于不需要在設(shè)備本地存儲(chǔ)密碼資源，有效防范了設(shè)備丟失后的安全風(fēng)險(xiǎn)，在系統(tǒng)認(rèn)證、密鑰生成、硬件加密等領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

1 PUF的分類與特點(diǎn)

自PUF的概念被提出以來[2]，人們研究并設(shè)計(jì)了多種類型的PUF，如圖1所示。2001年，Pappu等提出了光學(xué)PUF，通過激光照射散射媒介后形成斑點(diǎn)圖像，并作為設(shè)備的物理指紋，而散色媒介的物理狀態(tài)將顯著影響輻射斑點(diǎn)圖像。除光學(xué)PUF外，Hammouri等提出的CDPUF、Bulens等紙PUF都屬于非電子類PUF范疇。Tuyls等在2006年提出了涂層PUF，屬于典型的模擬電路類PUF，即在集成電路上噴一種特殊涂層，而由于在涂層中存在隨機(jī)性分布的介質(zhì)顆粒形成不同的響應(yīng)，符合PUF特征。此外，模擬電路類PUF還包括閾值電壓PUF、電阻PUF等。近年來，數(shù)字電路已逐漸成為各類硬件設(shè)備的核心組成部分，相比于光學(xué)類、模擬電路類的PUF，數(shù)字電路類PUF采用FPGA芯片設(shè)計(jì)，PUF結(jié)構(gòu)電路具有設(shè)計(jì)成本低、靈活程度高、開發(fā)周期較短以及可重復(fù)配置等優(yōu)點(diǎn)，具有更高的通用性與易實(shí)現(xiàn)性，已成為當(dāng)前PUF設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)[2-4]。

數(shù)字電路類PUF主要包含存儲(chǔ)類PUF和時(shí)延類PUF。存儲(chǔ)類PUF通常是通過上電/復(fù)位的隨機(jī)響應(yīng)作為判斷信號(hào)，設(shè)計(jì)具有對(duì)稱性的電路結(jié)構(gòu)，但由于工藝等微小差異導(dǎo)致穩(wěn)定輸出狀態(tài)的隨機(jī)性，如SRAM PUF和觸發(fā)器PUF。存儲(chǔ)類PUF能生成少量的響應(yīng)信息，通常來說，一個(gè)PUF結(jié)構(gòu)單元可以生成1 bit指紋數(shù)據(jù)。在時(shí)延類PUF中，延遲大小由MOSFET長度、寬度、閾值電壓和氧化層厚度等參數(shù)決定。受制造工藝過程的差異影響，這些參數(shù)的不確定性導(dǎo)致相同布線路徑的信號(hào)傳輸時(shí)延差在穩(wěn)定性和隨機(jī)性上都表現(xiàn)出PUF相關(guān)的特征行為，如仲裁器PUF、環(huán)形振蕩器PUF和蝴蝶PUF，通過調(diào)節(jié)時(shí)延類PUF的輸入條件獲得不同的輸出響應(yīng)。

圖1 PUF的主要類型

2 基于PUF的環(huán)形振蕩器設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于時(shí)延類PUF，設(shè)計(jì)并利用貨架的ARM+FPGA 電路模塊架構(gòu)，如圖2所示。ARM芯片實(shí)現(xiàn)與外界的實(shí)時(shí)通信和相關(guān)協(xié)議及數(shù)據(jù)的交換，F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)基于可編程電路設(shè)計(jì)的物理指紋提取和各類環(huán)境的補(bǔ)償。

仲裁器PUF、環(huán)形振蕩器PUF和蝴蝶PUF的設(shè)計(jì)都可以通過以上架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。仲裁器PUF的單元結(jié)構(gòu)由兩條相同設(shè)計(jì)的延時(shí)路徑構(gòu)成，通過激勵(lì)選擇不同的延時(shí)路徑改變輸出結(jié)果。仲裁器PUF可以產(chǎn)生大量的物理指紋，但是有對(duì)稱性要求，大大增加了布線等設(shè)計(jì)難度。蝴蝶PUF單元結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相互耦合的觸發(fā)器構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定狀態(tài)下將會(huì)獲得確定的輸出，輸出結(jié)果受激勵(lì)信號(hào)時(shí)延和耦合回路時(shí)延影響。蝴蝶PUF可產(chǎn)生少量的物理指紋。環(huán)形振蕩器PUF單元結(jié)構(gòu)由若干反向器相連構(gòu)成環(huán)路，每個(gè)環(huán)路將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，通過激勵(lì)信號(hào)選擇不同的振蕩環(huán)路進(jìn)行對(duì)比產(chǎn)生大量的物理指紋，同時(shí)無需對(duì)稱性設(shè)計(jì)，更易于實(shí)現(xiàn)。因此，本文中采用環(huán)形振蕩器來產(chǎn)生大量的物理指紋。

圖2 基于ARM+FPGA的PUF設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.2 環(huán)路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文采用環(huán)形振蕩器模型實(shí)現(xiàn)對(duì)PUF電路的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 環(huán)形振蕩器PUF結(jié)構(gòu)

第n環(huán)路結(jié)構(gòu)的延時(shí)Tn可以表示為：

式中，TnP代表工藝引起的延時(shí)，由氧化層厚度等因素決定；TnD代表設(shè)計(jì)引起的延時(shí)，由反向器級(jí)數(shù)、布線等因素決定；TnS代表其他延時(shí)，由環(huán)路結(jié)構(gòu)的位置、設(shè)備環(huán)境等因素決定。由物理不可克隆函數(shù)的定義可以知道，式（1）中TnP具有隨機(jī)性和穩(wěn)定性特征，是有效物理指紋特性參數(shù)。而TnP、TnS將會(huì)影響環(huán)路結(jié)構(gòu)延時(shí)Tn的隨機(jī)性或穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)環(huán)形振蕩器時(shí)，要求各環(huán)路采用相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得不同環(huán)路之間的ΔTn=0。當(dāng)ΔTnP＞＞ΔTnS時(shí)，環(huán)形振蕩器具有較好的PUF特性[5]。

環(huán)形振蕩器環(huán)路結(jié)構(gòu)中反向器數(shù)目的選擇，直接影響物理指紋的可提取性。對(duì)于一個(gè)采用N環(huán)路結(jié)構(gòu)的環(huán)形振蕩器PUF，具有N(N+1)/2個(gè)比較組合。但是，由于環(huán)路振蕩頻率具有線性關(guān)系，能夠產(chǎn)生的有效指紋數(shù)等于振蕩頻率的排序可能數(shù)N![6]。因此，理想條件下，50路環(huán)形振蕩器可以生成物理指紋位數(shù)為214，80路環(huán)形振蕩器可以生成物理指紋位數(shù)為395，100路環(huán)形振蕩器可以生成物理指紋位數(shù)為525。在設(shè)計(jì)環(huán)路結(jié)構(gòu)過程中，對(duì)環(huán)路振蕩頻率進(jìn)行采樣，樣本頻率標(biāo)準(zhǔn)差S越大，說明該結(jié)構(gòu)能夠提取出更多的有效物理指紋，用式（2）表示。其中，M為某一結(jié)構(gòu)的樣本環(huán)路個(gè)數(shù)，fi為第i個(gè)環(huán)路的頻率，Δf為平均樣本頻率。

圖4是對(duì)環(huán)形振蕩器進(jìn)行頻率采樣的示例?？梢钥闯?，3反向器結(jié)構(gòu)的環(huán)路具有最大的采樣頻率標(biāo)準(zhǔn)差。通常來說，設(shè)計(jì)中反向器數(shù)目越少，環(huán)路振蕩頻率越高，樣本頻率標(biāo)準(zhǔn)差也越大，能夠提取更多的物理指紋。在設(shè)計(jì)環(huán)路結(jié)構(gòu)時(shí)，還需要考慮所選取FPGA芯片的最高工作頻率。若環(huán)路振蕩頻率超過FPGA最高工作頻率，將無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量[5-6]。

圖4 環(huán)形振蕩器頻率采樣示例

2.3 系統(tǒng)性偏差補(bǔ)償

環(huán)形振蕩器PUF中環(huán)路振蕩頻率除受芯片本身隨機(jī)工藝偏差的影響外，還受環(huán)路在芯片上所處位置的影響。由位置不同所造成的系統(tǒng)偏差對(duì)振蕩頻率的影響具有固定趨勢(shì)，嚴(yán)重影響物理指紋的隨機(jī)性，導(dǎo)致PUF生成的數(shù)字響應(yīng)可被預(yù)測(cè)。

如圖5所示，由于系統(tǒng)偏差的存在，導(dǎo)致在采用相鄰環(huán)路頻率對(duì)比編碼的情況下，輸出1-4位出現(xiàn)1的概率較大，5-9位出現(xiàn)0的概率較大。對(duì)于系統(tǒng)偏差，可以通過對(duì)同一型號(hào)芯片進(jìn)行位置采樣，通過采樣數(shù)據(jù)建模對(duì)系統(tǒng)性偏差趨勢(shì)曲線進(jìn)行擬合，并對(duì)各環(huán)路進(jìn)行頻率補(bǔ)償。

圖5 同一類芯片連續(xù)位置采樣示例

除通過擬合系統(tǒng)偏差曲線的方法外，還可通過一種基于偽隨機(jī)數(shù)技術(shù)的補(bǔ)償方法，使得環(huán)路振蕩頻率的分布更加具有隨機(jī)性[5]。第一步，對(duì)具有N環(huán)路的環(huán)形振蕩器PUF生成N個(gè)0～1之間的隨機(jī)數(shù)，如式（3）所示；第二步，求得各環(huán)路頻率與頻率均值的最大差值，并基于隨機(jī)數(shù)列計(jì)算各環(huán)路的補(bǔ)償頻率值，如式（4）、式（5）、式（6）所示；第三步，對(duì)個(gè)環(huán)路進(jìn)行頻率補(bǔ)償，補(bǔ)償方式如式（7）所示。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)化

環(huán)形振蕩器PUF的環(huán)路頻率除受到工藝偏差、系統(tǒng)性偏差的影響外，還與芯片工作時(shí)所處的環(huán)境因素相關(guān)，如溫度、電壓和芯片老化等因素。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形振蕩器PUF在環(huán)境因素出現(xiàn)變化時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)一定的異于采集指紋響應(yīng)的比特位，以溫度因素的變化為例如圖6（a）所示。

在環(huán)形振蕩器中，環(huán)路振蕩頻率隨溫度升高而降低。圖6（a）中，由于所選取對(duì)比環(huán)路振蕩頻率相近，但受溫度影響出現(xiàn)了頻率對(duì)比翻轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)了實(shí)際響應(yīng)與錄入響應(yīng)相反的結(jié)果。通過統(tǒng)計(jì)所有環(huán)路的振蕩頻率和溫度的變化曲線，并進(jìn)行加權(quán)頻率補(bǔ)償可以獲得穩(wěn)定的輸出響應(yīng)， 如圖6（b）所示。

圖6 頻率隨溫度的變化

表1為某實(shí)際測(cè)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出針對(duì)環(huán)境因素造成環(huán)形振蕩器PUF輸出響應(yīng)錯(cuò)誤的情況。反向器級(jí)數(shù)越高，影響越明顯，這是由于低級(jí)數(shù)反向器結(jié)構(gòu)的環(huán)路具有更高的頻率標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)環(huán)境因素?cái)_動(dòng)具有更高容忍度。此外，可以從物理指紋采集流程上進(jìn)行優(yōu)化，在PUF指紋錄入時(shí)選擇頻率差較大的指紋錄入數(shù)據(jù)庫，減小環(huán)境因素變化對(duì)輸出響應(yīng)的影響。

表1 異常比特出現(xiàn)概率

3 結(jié) 語

本文研究對(duì)比了不同種類的物理指紋認(rèn)證技術(shù)，重點(diǎn)研究了振蕩器的環(huán)路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)偏差補(bǔ)償及環(huán)境適應(yīng)性等，對(duì)優(yōu)化環(huán)形振蕩器PUF指紋的可提取性、隨機(jī)性和穩(wěn)定性有重要意義。同時(shí)，結(jié)合自身工作和項(xiàng)目的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)、開發(fā)了環(huán)形振蕩器PUF系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于通用FPGA開發(fā)板模型，適用于大部分FPGA器件的身份認(rèn)證。由于PUF的不可復(fù)制、輕量級(jí)等特性，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、設(shè)備認(rèn)證和密鑰生成等領(lǐng)域方面都有廣泛的應(yīng)用前景。