【摘 要】
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随着物联网技术的发展,其安全问题逐渐成为关键,物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）利用了集成电路生产中的工艺偏差因素,实现了密钥存储等安全功能。其中,仲裁器PUF（Arbiter PUF,APUF）具有结构简单易制造的特点,然而由于其延时结构和仲裁方案的设计,会产生唯一性和稳定性低,易被建模攻击等问题。同时为了适应物联网设备更加灵活的应用需求,越来越
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随着物联网技术的发展,其安全问题逐渐成为关键,物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）利用了集成电路生产中的工艺偏差因素,实现了密钥存储等安全功能。其中,仲裁器PUF（Arbiter PUF,APUF）具有结构简单易制造的特点,然而由于其延时结构和仲裁方案的设计,会产生唯一性和稳定性低,易被建模攻击等问题。同时为了适应物联网设备更加灵活的应用需求,越来越多的相关研究为PUF添加了可重构功能。因此需要为APUF改进延迟结构和仲裁方案,使其在保证唯一性,稳定性和抗攻击性能的前提下,具备可重构功能。本文从改进多值APUF延迟结构和仲裁方案的角度出发,设计了基于级联开关电路带亚稳态检测电路的可重构PUF,并进行了抗建模攻击设计。设计了级联开关结构,通过分级实现交换行为,保证了整个级联开关路径对称性,达到提高唯一性的效果;设计了亚稳态检测电路,通过对响应产生过程中的亚稳态现象进行检测,达到提高稳定性效果;设计级联开关的可重构方案,利用级联开关延迟路径数量多的特点,实现级联开关的可重构功能;同时本文对基于级联开关的PUF进行了抗攻击设计,利用级联开关延迟结构的复杂度和异或处理的方式,达到了抵御建模攻击的效果。本文在Xilinx Artix-7 XC7A200T1FBG484I的FPGA平台实现了基于级联开关,带亚稳态检测电路的可重构多值APUF结构。通过收集激励-响应对（Challenge-Response Pairs,CRPs）,统计本文PUF的性能,并对PUF进行建模攻击测试。实验表明,本文设计的基于级联开关的多值APUF在经过仲裁后处理和亚稳态筛选后,唯一性达到了48.05%,稳定性达到了99.24%,与理想值的偏差均小于3%。重构性能中的重构唯一性为48.6%,重构唯一性为50.37%,满足PUF重构性能的需求。在48万条CRPs做训练集的攻击下本文PUF的攻击准确率仅为13.42%,与理想值偏差仅为1.42%。综上,本文解决了多值APUF开关路径对称性的问题,实现了一个高性能,抗攻击可重构的可重构PUF。
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