可重构低成本物理不可克隆技术研究

Physical Unclonable Function (PUF) is a new kind of hardware-based security primitives, which has the ability to extract the fabrication variations of integrated circuits (IC) and use them to generate unique responses. Due to the characteristics of unclonability and unpredictability, PUFs are suitable for device authentication, IP protection, key generation and other security applications. Unfortunately, the existing PUF constructions have problems on cost, reliability and uniqueness. In this research, the following aspects will be studied: 1) novel reconfigurable PUF constructions, 2) low-cost error correction methods of PUF responses, 3) the security of PUF constructions. Low-cost PUF constructions with higher reliability and uniqueness will be studied. Lightweight error correction methods will be integrated to improve the reliability of PUFs, and the security of PUFs will be evaluated by known PUF attacking. New PUF protocols based on the low-cost PUF constructions will be designed for typical applications including RFID systems. A PUF based prototype system will be designed and implemented to evaluate the proposed PUF constructions and protocols in the practical application scenarios. This project will lay a solid foundation for PUF design theory and applications.

物理不可克隆技术（PUF）是一种新兴的加密手段，通过提取芯片中由于制造工艺不一致 而引入的随机差异生成加密信息（响应）。PUF具有不可克隆性和不可预测性等特点，在设备授权/认证、密钥生成等信息安全领域具有广阔的应用前景。针对已有PUF在实现成本、可靠性和唯一性上存在的不足，本项目将从新型可重构PUF结构、PUF响应的低成本纠错方法和PUF的安全性等三个方面展开研究：1）设计可广泛应用于资源受限平台的可重构低成本PUF结构；2）提出可提高PUF可靠性的低复杂度纠错方案；3）通过PUF的安全性研究提高PUF的抗攻击能力。本项目拟基于上述三个方面的研究设计实现一个基于PUF的低成本加密应用原型系统，并对提出的可重构PUF结构、低成本纠错方法、安全性改善进行系统地分析和评价。本项目将为新一代基于PUF的加密系统打下坚实的理论和技术基础。

硬件安全问题一直是困扰信息时代的一个难题。物理不可克隆函数通过提取芯片内部不可复现的微小差异生成数字信号，这种方式能够比传统的非易失性存储器提供更高的安全性。然而，已存在的PUF结构面临着硬件利用率低，建模攻击抗性差等问题。.本项目以电路结构可重构的思想研究了新型PUF结构，从数学模型研究、新型电路结构设计、安全认证协议设计等三方面，深入研究了可重构PUF的设计方法和安全性应用。可重构PUF设计能够提高硬件效率，还可以提高抗攻击能力，具有重要的学术价值和广泛的应用前景。.本项目重点研究了PUF的多种可重构设计方法，从理论上研究了不同设计策略对响应性能的影响，从理论上推导了PUF唯一性和最小熵之间的数学关系。以提高硬件效率为目标，提出了一系列可重构RO PUF电路结构；以提高建模攻击抗性为目标，提出了一系列仲裁器PUF电路结构；以高安全性为目标，设计了多种身份认证协议。本项目的研究成果为高硬件效率PUF设计和安全性认证系统的构建打下了坚实的基础。.取得的研究成果如下：.在国内外期刊和会议上发表论文24篇，申请发明专利7项，其中在IEEE Transactions on Computers、IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing、数据采集与处理等高水平国际和国内期刊上发表论文14篇（其中IEEE会刊10篇），在IEEE ISCAS、IEEE AsianHOST、IEEE DSP、IEEE APCCAS和IEEE SiPS等高水平国际会议上发表论文10篇。培养优青1名，博士研究生3名，培养硕士研究生7名，培养本科生8名。