物理不可克隆函数新结构及其在物联网轻量级密码协议中的应用

The combination of security chip and cryptography technology can better balance the contradiction between security, speed and energy consumption in IoT applications. Therefore, the optimization of physical unclonable function structure and the combination application in cryptographic protocols have become the research hotspots in the field of Internet of Things security in recent years. However, there are some limitations in the existing research results, such as the chip structure is not lightweight, the authentication model is not reasonable, and the key management scheme is lacking. In order to better solve the above problems, this work focuses on lightweight authentication and key management based on physical unclonable functions. The main contents include:.Design optimization of new physical clonal function (PUF) structure, PUF-based lightweight IoT node authentication, and PUF-based lightweight IoT key management. The research goal is to propose a new structure of reconfigurable physical unclonable function, based on which to establish a lightweight node authentication model and protocol, and to design a lightweight key management model and scheme. The work will provide theoretical support for the hardware security and access security of IoT terminal devices, effectively promoting the development of IoT applications.

安全芯片与密码技术相结合，能够更好地平衡物联网应用中安全、速度与能耗间的矛盾。因此，物理不可克隆函数结构优化以及在密码协议中的结合应用，成为近几年物联网安全领域的研究热点。但是在目前针对物理不可克隆函数的研究成果中存在一些局限性，如芯片结构不够轻量化、认证模型不尽合理、密钥管理方案缺乏研究。为更好地解决以上问题，本课题将针对物理不可克隆函数新结构及其在物联网轻量级密码协议中的应用展开深入研究，主要内容包括：物理不可克隆函数（PUF）新结构的设计优化、基于PUF的轻量级IoT认证协议和基于PUF的轻量级IoT密钥管理方案。研究目标是提出可重构的物理不可克隆函数新结构，并基于该结构建立轻量级的节点认证模型和协议、设计轻量级的密钥管理模型和方案。课题的完成将为物联网终端设备的硬件安全和接入安全提供理论支持，有效推动物联网应用的发展。

基于物理不可克隆函数对轻量级的认证与密钥管理等密码协议展开研究，是从硬件底层出发，利用物理不可克隆函数芯片在极低的硬件资源成本下，轻量级地实现类似于量子密钥分发的安全性和防克隆性，并且不需要存储密钥，具有极高的性价比和应用前景。本项目将物理不可克隆函数（PUF）芯片与物联网的密码协议相结合，重点考虑节点认证与密钥管理协议，从物联网低能耗的应用需求出发，设计PUF新结构并基于PUF新结构提出轻量级的认证与密钥管理等密码协议，这对推动物联网应用的发展具有深远意义。.1、物联网中基于PUF的认证与密钥管理研究.具体主要从动态传感器网络中基于PUF的认证与密钥管理研究、WSNs中基于物理不可克隆函数的簇内密钥分配、基于物理不可克隆函数的Kerberos认证和密钥分配协议扩展及在车联网中的应用这三方面，提出认证与密钥管理方案，并做出分析和实现。.2、物联网云服务中的隐私保护研究.具体从匿名认证与密钥交换协议的研究有效的隐私保护无证书公共审计云存储中的数据等方面，研究物联网应用中，云上数据的隐私保护问题，并做出分析和仿真。.3、物联网节点安全定位研究.具体从基于密度的不规则网络多跳定位算法、针对不规则网络的高精度和高效率的多跳定位算法等方面，研究物联网、传感器网络结构下，节点的安全定位算法，并做出分析和仿真。