基于環形振蕩器的物理指紋認證設計研究*

鐘 杰，雷顏銘，王 溢，程麗君

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

0 引 言

嵌入式設備在工業、商業、軍事等領域的應用日益廣泛，同時向著小型化、低功耗發展，促使適用于通用設備的輕量級認證技術具有了更廣泛的需求。現有的可信體系通常基于證書認證、接入控制和密碼服務等，具有較高的安全系數。但是，由于各類攻擊手段層出不窮，傳統認證技術對于移動終端的有效防護能力逐漸退化，且引入多種安全策略和防護手段對系統的通信帶寬、計算能力、組網能力等整體資源的開銷均提出了較嚴苛的要求。此外，還存在本地存儲敏感信息、難以抵抗側信道攻擊、設備價格過高的問題。

借鑒生物指紋的概念，人們提出了硬件設備物理指紋/物理不可克隆函數（Physical Unclonable Function，PUF）的概念。在設備生產過程中，工藝問題造成的物理組件的隨機性誤差不可避免（如在芯片加工時氧化層厚度的不均勻性），且由于硬件加工的相互獨立，這種誤差具有穩定性、唯一性和差異性。在相同輸入條件下，PUF將會獲得相同的輸出響應，指紋生成是可重復的；無法通過設計使不同的輸入獲得相同的輸出響應；改變PUF的輸入條件，PUF的輸出將會發生變化且無法預測。實踐證明，這種誤差對物理組件本身的功能和性能并不會造成影響，但可以通過算法將其進行提取和放大，進一步作為物理組件的固有屬性加以區分和標識[1]。基于設備物理指紋的認證加密技術能夠大大減少設備計算、存儲和通信開銷，同時由于不需要在設備本地存儲密碼資源，有效防范了設備丟失后的安全風險，在系統認證、密鑰生成、硬件加密等領域具有良好的發展前景。

1 PUF的分類與特點

自PUF的概念被提出以來[2]，人們研究并設計了多種類型的PUF，如圖1所示。2001年，Pappu等提出了光學PUF，通過激光照射散射媒介后形成斑點圖像，并作為設備的物理指紋，而散色媒介的物理狀態將顯著影響輻射斑點圖像。除光學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性分布的介質顆粒形成不同的響應，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，數字電路已逐漸成為各類硬件設備的核心組成部分，相比于光學類、模擬電路類的PUF，數字電路類PUF采用FPGA芯片設計，PUF結構電路具有設計成本低、靈活程度高、開發周期較短以及可重復配置等優點，具有更高的通用性與易實現性，已成為當前PUF設計的熱點[2-4]。

數字電路類PUF主要包含存儲類PUF和時延類PUF。存儲類PUF通常是通過上電/復位的隨機響應作為判斷信號，設計具有對稱性的電路結構，但由于工藝等微小差異導致穩定輸出狀態的隨機性，如SRAM PUF和觸發器PUF。存儲類PUF能生成少量的響應信息，通常來說，一個PUF結構單元可以生成1 bit指紋數據。在時延類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決定。受制造工藝過程的差異影響，這些參數的不確定性導致相同布線路徑的信號傳輸時延差在穩定性和隨機性上都表現出PUF相關的特征行為，如仲裁器PUF、環形振蕩器PUF和蝴蝶PUF，通過調節時延類PUF的輸入條件獲得不同的輸出響應。

圖1 PUF的主要類型

2 基于PUF的環形振蕩器設計

2.1 總體架構設計

對于時延類PUF，設計并利用貨架的ARM+FPGA 電路模塊架構，如圖2所示。ARM芯片實現與外界的實時通信和相關協議及數據的交換，FPGA芯片實現基于可編程電路設計的物理指紋提取和各類環境的補償。

仲裁器PUF、環形振蕩器PUF和蝴蝶PUF的設計都可以通過以上架構實現。仲裁器PUF的單元結構由兩條相同設計的延時路徑構成，通過激勵選擇不同的延時路徑改變輸出結果。仲裁器PUF可以產生大量的物理指紋，但是有對稱性要求，大大增加了布線等設計難度。蝴蝶PUF單元結構由兩個相互耦合的觸發器構成。該結構在穩定狀態下將會獲得確定的輸出，輸出結果受激勵信號時延和耦合回路時延影響。蝴蝶PUF可產生少量的物理指紋。環形振蕩器PUF單元結構由若干反向器相連構成環路，每個環路將會產生一個穩定的振蕩信號，通過激勵信號選擇不同的振蕩環路進行對比產生大量的物理指紋，同時無需對稱性設計，更易于實現。因此，本文中采用環形振蕩器來產生大量的物理指紋。

圖2 基于ARM+FPGA的PUF設計架構

2.2 環路結構的設計

本文采用環形振蕩器模型實現對PUF電路的設計，如圖3所示。

圖3 環形振蕩器PUF結構

第n環路結構的延時Tn可以表示為：

式中，TnP代表工藝引起的延時，由氧化層厚度等因素決定；TnD代表設計引起的延時，由反向器級數、布線等因素決定；TnS代表其他延時，由環路結構的位置、設備環境等因素決定。由物理不可克隆函數的定義可以知道，式（1）中TnP具有隨機性和穩定性特征，是有效物理指紋特性參數。而TnP、TnS將會影響環路結構延時Tn的隨機性或穩定性。設計環形振蕩器時，要求各環路采用相同結構設計，使得不同環路之間的ΔTn=0。當ΔTnP＞＞ΔTnS時，環形振蕩器具有較好的PUF特性[5]。

環形振蕩器環路結構中反向器數目的選擇，直接影響物理指紋的可提取性。對于一個采用N環路結構的環形振蕩器PUF，具有N(N+1)/2個比較組合。但是，由于環路振蕩頻率具有線性關系，能夠產生的有效指紋數等于振蕩頻率的排序可能數N![6]。因此，理想條件下，50路環形振蕩器可以生成物理指紋位數為214，80路環形振蕩器可以生成物理指紋位數為395，100路環形振蕩器可以生成物理指紋位數為525。在設計環路結構過程中，對環路振蕩頻率進行采樣，樣本頻率標準差S越大，說明該結構能夠提取出更多的有效物理指紋，用式（2）表示。其中，M為某一結構的樣本環路個數，fi為第i個環路的頻率，Δf為平均樣本頻率。

圖4是對環形振蕩器進行頻率采樣的示例。可以看出，3反向器結構的環路具有最大的采樣頻率標準差。通常來說，設計中反向器數目越少，環路振蕩頻率越高，樣本頻率標準差也越大，能夠提取更多的物理指紋。在設計環路結構時，還需要考慮所選取FPGA芯片的最高工作頻率。若環路振蕩頻率超過FPGA最高工作頻率，將無法實現準確測量[5-6]。

圖4 環形振蕩器頻率采樣示例

2.3 系統性偏差補償

環形振蕩器PUF中環路振蕩頻率除受芯片本身隨機工藝偏差的影響外，還受環路在芯片上所處位置的影響。由位置不同所造成的系統偏差對振蕩頻率的影響具有固定趨勢，嚴重影響物理指紋的隨機性，導致PUF生成的數字響應可被預測。

如圖5所示，由于系統偏差的存在，導致在采用相鄰環路頻率對比編碼的情況下，輸出1-4位出現1的概率較大，5-9位出現0的概率較大。對于系統偏差，可以通過對同一型號芯片進行位置采樣，通過采樣數據建模對系統性偏差趨勢曲線進行擬合，并對各環路進行頻率補償。

圖5 同一類芯片連續位置采樣示例

除通過擬合系統偏差曲線的方法外，還可通過一種基于偽隨機數技術的補償方法，使得環路振蕩頻率的分布更加具有隨機性[5]。第一步，對具有N環路的環形振蕩器PUF生成N個0～1之間的隨機數，如式（3）所示；第二步，求得各環路頻率與頻率均值的最大差值，并基于隨機數列計算各環路的補償頻率值，如式（4）、式（5）、式（6）所示；第三步，對個環路進行頻率補償，補償方式如式（7）所示。

2.4 環境適應性的優化

環形振蕩器PUF的環路頻率除受到工藝偏差、系統性偏差的影響外，還與芯片工作時所處的環境因素相關，如溫度、電壓和芯片老化等因素。研究發現，環形振蕩器PUF在環境因素出現變化時，輸出響應會出現一定的異于采集指紋響應的比特位，以溫度因素的變化為例如圖6（a）所示。

在環形振蕩器中，環路振蕩頻率隨溫度升高而降低。圖6（a）中，由于所選取對比環路振蕩頻率相近，但受溫度影響出現了頻率對比翻轉的情況，導致出現了實際響應與錄入響應相反的結果。通過統計所有環路的振蕩頻率和溫度的變化曲線，并進行加權頻率補償可以獲得穩定的輸出響應， 如圖6（b）所示。

圖6 頻率隨溫度的變化

表1為某實際測驗的統計結果，可以看出針對環境因素造成環形振蕩器PUF輸出響應錯誤的情況。反向器級數越高，影響越明顯，這是由于低級數反向器結構的環路具有更高的頻率標準差，對環境因素擾動具有更高容忍度。此外，可以從物理指紋采集流程上進行優化，在PUF指紋錄入時選擇頻率差較大的指紋錄入數據庫，減小環境因素變化對輸出響應的影響。

表1 異常比特出現概率

3 結 語

本文研究對比了不同種類的物理指紋認證技術，重點研究了振蕩器的環路結構、系統偏差補償及環境適應性等，對優化環形振蕩器PUF指紋的可提取性、隨機性和穩定性有重要意義。同時，結合自身工作和項目的應用要求，設計、開發了環形振蕩器PUF系統。該系統基于通用FPGA開發板模型，適用于大部分FPGA器件的身份認證。由于PUF的不可復制、輕量級等特性，在知識產權保護、設備認證和密鑰生成等領域方面都有廣泛的應用前景。