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一、引言

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，嵌入式設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，從智能家居到工業(yè)控制，從醫(yī)療設(shè)備到軍事國防。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的迅猛發(fā)展，嵌入式設(shè)備的數(shù)量呈爆炸式增長，它們相互連接，構(gòu)建起龐大而復(fù)雜的智能網(wǎng)絡(luò)。然而，這種廣泛的應(yīng)用和互聯(lián)也帶來了嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。嵌入式設(shè)備往往存儲(chǔ)著敏感信息，如用戶數(shù)據(jù)、設(shè)備控制指令等，并且可能在安全防護(hù)相對(duì)薄弱的環(huán)境中運(yùn)行，容易成為攻擊者的目標(biāo)。

傳統(tǒng)的安全機(jī)制在面對(duì)日益復(fù)雜的攻擊手段時(shí)，逐漸暴露出其局限性。例如，基于軟件的加密方法依賴于密鑰的存儲(chǔ)和管理，而密鑰一旦被竊取，整個(gè)安全體系將面臨崩潰。硬件層面的安全防護(hù)也面臨著物理攻擊的威脅，攻擊者可以通過微探針攻擊、冷凍攻擊等手段獲取設(shè)備中的敏感信息。在這樣的背景下，物理不可克隆功能（Physical Unclonable Function，PUF）作為一種新興的硬件安全技術(shù)，應(yīng)運(yùn)而生，為嵌入式設(shè)備的安全防護(hù)提供了新的思路和解決方案。

PUF 利用芯片制造過程中由于工藝偏差等物理特性產(chǎn)生的不可預(yù)測、不可克隆的隨機(jī)特征，為每個(gè)芯片提供獨(dú)一無二的 “指紋”。這些指紋可以用于生成加密密鑰，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的身份認(rèn)證，有效抵御克隆攻擊和物理攻擊，從而顯著提升嵌入式設(shè)備的安全性。本文將深入探討 PUF 技術(shù)在嵌入式設(shè)備密鑰生成與防克隆攻擊中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹其原理、工作機(jī)制、優(yōu)勢(shì)以及實(shí)際應(yīng)用案例，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

二、物理不可克隆功能（PUF）概述

2.1 PUF 的定義與基本原理

物理不可克隆功能（PUF）是一種依賴于芯片物理特性的硬件函數(shù)實(shí)現(xiàn)電路。其核心原理是利用芯片制造過程中不可避免地引入的微小工藝參數(shù)偏差，這些偏差在每一個(gè)芯片上都是獨(dú)一無二的，且具有隨機(jī)性和不可控性。當(dāng)向 PUF 電路輸入一個(gè)激勵(lì)信號(hào)（Challenge）時(shí)，由于芯片內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的差異，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)唯一且不可預(yù)測的響應(yīng)信號(hào)（Response），從而實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)之間唯一對(duì)應(yīng)的函數(shù)功能。

例如，在基于仲裁器的 PUF（Arbiter PUF）中，數(shù)字信號(hào)在兩條不同路徑上傳播時(shí)，由于制造工藝導(dǎo)致的路徑長度、晶體管參數(shù)等微小差異，使得信號(hào)在到達(dá)仲裁器時(shí)產(chǎn)生不同的延遲。通過比較兩條路徑信號(hào)到達(dá)仲裁器的先后順序，就可以得到一個(gè)與芯片物理特性相關(guān)的響應(yīng)。這種響應(yīng)是基于芯片的物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，即使是在同一批次生產(chǎn)的芯片，其響應(yīng)也具有很高的差異性，因此幾乎無法被克隆。

2.2 PUF 的分類

PUF 按照實(shí)現(xiàn)方法可以分為多種類型，常見的有以下幾類：

2.2.1 數(shù)字電路 PUF:

基于存儲(chǔ)器的 PUF：利用存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)來生成響應(yīng)。例如，SRAM PUF 利用 SRAM 單元在加電時(shí)的初始狀態(tài)，由于制造工藝差異，不同的 SRAM 單元在不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)具有明確的偏向，從而產(chǎn)生不同的初始值作為響應(yīng)。觸發(fā)器 PUF 和蝴蝶 PUF 也屬于這一類，它們基于雙穩(wěn)態(tài)邏輯單元的制造變化差異來工作。

基于傳播時(shí)延的 PUF：數(shù)字信號(hào)在電路中的傳播會(huì)受到多種因素的影響，如 MOSFET 通道長度、寬度和閾值電壓、氧化層厚度、金屬線的形狀等，這些因素導(dǎo)致信號(hào)傳播延遲具有部分隨機(jī)性。基于仲裁器的 PUF 就是典型代表，它通過比較兩條信號(hào)傳播路徑的延遲差異來產(chǎn)生響應(yīng)。基于環(huán)形振蕩器的 PUF 則是利用不同環(huán)形振蕩器由于工藝偏差導(dǎo)致的振蕩頻率差異來生成響應(yīng)，基于毛刺的 PUF 利用電路中產(chǎn)生的毛刺信號(hào)特性來實(shí)現(xiàn) PUF 功能。

2.2.2 模擬電路 PUF：

模擬電路 PUF 中最具代表性的是涂層 PUF（Coating PUF）。它通過在芯片表面添加一層具有隨機(jī)物理特性的涂層，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)通過與涂層相互作用后，產(chǎn)生與涂層物理特性相關(guān)的響應(yīng)信號(hào)。

2.2.3 非電子 PUF：

這類 PUF 不依賴于傳統(tǒng)的電子電路。最具代表性的是光學(xué) PUF，它利用光學(xué)元件的物理特性對(duì)光信號(hào)的調(diào)制作用來實(shí)現(xiàn) PUF 功能，是安全應(yīng)用中 PUF 概念的第一個(gè)正式描述。此外，還有紙 PUF 和 CD PUF 等，它們分別利用紙張或光盤的物理特性產(chǎn)生唯一的響應(yīng)。

2.3 PUF 的特性

1. 唯一性：由于每個(gè)芯片的制造工藝偏差都是獨(dú)一無二的，因此 PUF 產(chǎn)生的響應(yīng)對(duì)于每個(gè)芯片來說也是唯一的，就像人類的指紋一樣，可作為芯片的獨(dú)特身份標(biāo)識(shí)。

2. 不可克隆性：要精確克隆一個(gè) PUF 的物理結(jié)構(gòu)和特性幾乎是不可能的，因?yàn)橹圃旃に嚻�差的隨機(jī)性和微小性使得即使是在同一生產(chǎn)線上生產(chǎn)的芯片，其 PUF 響應(yīng)也具有很大差異。這種不可克隆性為設(shè)備提供了高度的安全保障，有效防止了克隆攻擊。

3. 不可預(yù)測性：PUF 的響應(yīng)是基于芯片物理特性產(chǎn)生的，在制造之前無法預(yù)測其具體值。即使攻擊者知道 PUF 的設(shè)計(jì)原理和激勵(lì)信號(hào)，也無法準(zhǔn)確預(yù)測響應(yīng)信號(hào)，增加了攻擊的難度。

4. 輕量級(jí)：PUF 通常不需要復(fù)雜的硬件電路或大量的計(jì)算資源，與傳統(tǒng)的安全機(jī)制相比，具有較低的功耗和硬件開銷，非常適合資源受限的嵌入式設(shè)備。

5. 隨機(jī)性：PUF 產(chǎn)生的響應(yīng)具有隨機(jī)性，這使得其生成的密鑰具有較高的安全性，難以被破解。

三、PUF 在嵌入式設(shè)備密鑰生成中的應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)密鑰生成方法的局限性

在傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備中，密鑰生成和存儲(chǔ)方式存在諸多安全隱患。常見的方法是將密鑰預(yù)先存儲(chǔ)在設(shè)備的非易失性存儲(chǔ)器（如 EEPROM、Flash 等）中。這種方式容易受到物理攻擊，攻擊者可以通過微探針攻擊、冷凍攻擊等手段直接從存儲(chǔ)器中讀取密鑰。一旦密鑰泄露，設(shè)備的安全性將蕩然無存，攻擊者可以輕易地訪問設(shè)備中的敏感信息，或者對(duì)設(shè)備進(jìn)行惡意控制。

此外，傳統(tǒng)的密鑰生成算法通常依賴于軟件實(shí)現(xiàn)，容易受到軟件漏洞和惡意軟件的攻擊。軟件算法可能存在被破解或篡改的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致密鑰被竊取或生成不安全的密鑰。而且，對(duì)于大量嵌入式設(shè)備的密鑰管理也面臨著挑戰(zhàn)，如何安全地分配、更新和存儲(chǔ)密鑰成為一個(gè)復(fù)雜的問題。

3.2 PUF 用于密鑰生成的優(yōu)勢(shì)

1. 增強(qiáng)密鑰安全性：PUF 利用芯片的物理特性生成密鑰，密鑰與芯片本身緊密綁定，具有唯一性和不可克隆性。即使攻擊者獲取了設(shè)備，也無法通過克隆芯片來獲取相同的密鑰，大大提高了密鑰的安全性。例如，基于 SRAM PUF 生成的密鑰，由于 SRAM 單元的初始狀態(tài)是由芯片制造工藝決定的，無法被人為篡改或預(yù)測，使得密鑰具有極高的安全性。

2. 無需密鑰存儲(chǔ)：傳統(tǒng)方法需要將密鑰存儲(chǔ)在設(shè)備的存儲(chǔ)器中，而 PUF 只在設(shè)備上電或需要時(shí)通過集成電路的物理特性衍生出密鑰，不需要將密鑰永久存儲(chǔ)在安全存儲(chǔ)器中，減少了密鑰被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)于資源受限的嵌入式設(shè)備尤為重要，因?yàn)樗��?jié)省了用于存儲(chǔ)密鑰的存儲(chǔ)器空間，同時(shí)也降低了對(duì)存儲(chǔ)器安全性的依賴。

3. 天然的防篡改特性：由于 PUF 生成的密鑰與芯片的物理結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，任何對(duì)芯片的物理篡改都可能導(dǎo)致 PUF 響應(yīng)發(fā)生變化，從而使得生成的密鑰也發(fā)生改變。這種天然的防篡改特性可以有效檢測到設(shè)備是否受到物理攻擊，一旦檢測到攻擊，設(shè)備可以采取相應(yīng)的措施，如鎖定設(shè)備或發(fā)出警報(bào)。

4. 與 CMOS 技術(shù)兼容：大多數(shù) PUF 技術(shù)都與現(xiàn)有的 CMOS 制造工藝兼容，這意味著在不改變現(xiàn)有芯片制造流程的基礎(chǔ)上，就可以集成 PUF 功能，便于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。這為 PUF 在嵌入式設(shè)備中的廣泛應(yīng)用提供了便利條件，降低了成本和技術(shù)門檻。

3.3  PUF 密鑰生成過程

1. 激勵(lì)信號(hào)輸入：首先，向 PUF 電路輸入一個(gè)特定的激勵(lì)信號(hào)（Challenge）。這個(gè)激勵(lì)信號(hào)可以是數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)或其他形式的信號(hào)，其具體形式取決于 PUF 的類型。例如，對(duì)于基于仲裁器的 PUF，激勵(lì)信號(hào)可能是一系列的數(shù)字脈沖序列，用于觸發(fā)信號(hào)在不同路徑上的傳播。

2. PUF 響應(yīng)生成：PUF 電路接收到激勵(lì)信號(hào)后，由于芯片內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的差異，激勵(lì)信號(hào)在電路中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)。例如，在基于 SRAM PUF 中，激勵(lì)信號(hào)可能是加電操作，SRAM 單元在加電后會(huì)根據(jù)其自身的物理特性進(jìn)入不同的初始狀態(tài)，這些初始狀態(tài)就構(gòu)成了 PUF 的響應(yīng)。

3. 密鑰提取：從 PUF 的響應(yīng)信號(hào)中提取出用于加密或認(rèn)證的密鑰。通常需要對(duì) PUF 的響應(yīng)進(jìn)行后處理，以提高密鑰的質(zhì)量和安全性。例如，采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)來糾正由于環(huán)境噪聲等因素導(dǎo)致的 PUF 響應(yīng)中的錯(cuò)誤比特，采用哈希函數(shù)對(duì) PUF 響應(yīng)進(jìn)行處理，以生成固定長度且具有良好隨機(jī)性的密鑰。在一些應(yīng)用中，還會(huì)結(jié)合其他安全算法，如對(duì)稱加密算法，對(duì)提取的密鑰進(jìn)行進(jìn)一步的加密和保護(hù)。

以下是一個(gè)簡單的基于 Python 的代碼示例，展示如何對(duì) PUF 響應(yīng)進(jìn)行哈希處理以生成密鑰（實(shí)際應(yīng)用中會(huì)更為復(fù)雜且在硬件層面實(shí)現(xiàn)）

3.4 PUF 密鑰生成的實(shí)際案例

中國移動(dòng)旗下芯昇科技有限公司推出的高安全 mcu 芯片 ——cm32sxx 系列，通過使用南京帕孚信息科技有限公司 softpuf 開發(fā)工具包，在芯片中集成了物理不可克隆功能（PUF）。利用 PUF 技術(shù)提取出獨(dú)一無二的 “芯片指紋”，并將其用于生成安全密鑰。這些密鑰為設(shè)備提供了強(qiáng)大的安全保障，使得 cm32sxx 系列芯片具備防克隆、防篡改、抗物理攻擊以及側(cè)信道攻擊的能力，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)場景下的終端設(shè)備提供高級(jí)別的安全防護(hù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，cm32sxx 系列芯片可以用于智能家居設(shè)備的控制模塊。設(shè)備上電后，通過 PUF 生成唯一的密鑰，用于與智能家居系統(tǒng)中的其他設(shè)備進(jìn)行安全通信和認(rèn)證。由于密鑰是基于芯片的物理特性生成的，即使攻擊者試圖克隆設(shè)備，也無法獲取相同的密鑰，從而保證了智能家居系統(tǒng)的安全性。

四、PUF 在嵌入式設(shè)備防克隆攻擊中的應(yīng)用

4.1 克隆攻擊對(duì)嵌入式設(shè)備的威脅

克隆攻擊是嵌入式設(shè)備面臨的嚴(yán)重安全威脅之一。攻擊者通過復(fù)制設(shè)備的硬件和軟件，制造出與原始設(shè)備外觀和功能相似的克隆設(shè)備，然后利用這些克隆設(shè)備進(jìn)行惡意活動(dòng)，如竊取用戶數(shù)據(jù)、干擾設(shè)備正常運(yùn)行、進(jìn)行非法的控制操作等。在一些關(guān)鍵領(lǐng)域，如醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)、金融支付終端等，克隆攻擊可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果，危及人們的生命安全、導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)事故或造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，克隆的醫(yī)療設(shè)備可能會(huì)給出錯(cuò)誤的診斷結(jié)果或執(zhí)行錯(cuò)誤的治療操作，對(duì)患者的健康造成極大危害。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，克隆設(shè)備可能被用于干擾生產(chǎn)流程，破壞工業(yè)設(shè)施，影響企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)營。而且，隨著嵌入式設(shè)備的廣泛應(yīng)用和供應(yīng)鏈的復(fù)雜性增加，克隆攻擊變得越來越容易實(shí)施，給設(shè)備制造商和用戶帶來了巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 PUF 抵御克隆攻擊的原理

PUF 的唯一性和不可克隆性是其抵御克隆攻擊的核心。每個(gè)嵌入式設(shè)備的 PUF 都具有獨(dú)一無二的物理特征，基于這些特征生成的設(shè)備指紋和密鑰也是唯一的。當(dāng)設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證時(shí)，服務(wù)器會(huì)存儲(chǔ)每個(gè)合法設(shè)備的 PUF 響應(yīng)信息。克隆設(shè)備由于其物理結(jié)構(gòu)與原始設(shè)備不同，即使在外觀和功能上進(jìn)行了模仿，其 PUF 響應(yīng)也會(huì)與原始設(shè)備存在顯著差異。

在認(rèn)證過程中，設(shè)備向服務(wù)器發(fā)送 PUF 響應(yīng)，服務(wù)器將接收到的響應(yīng)與預(yù)先存儲(chǔ)的合法設(shè)備響應(yīng)進(jìn)行比對(duì)。如果響應(yīng)不匹配，服務(wù)器就可以判斷該設(shè)備為克隆設(shè)備，從而拒絕其訪問或采取其他安全措施。例如，在一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能門鎖系統(tǒng)中，每個(gè)門鎖設(shè)備都集成了 PUF。用戶在使用手機(jī) APP 解鎖門鎖時(shí)，門鎖設(shè)備會(huì)將其 PUF 響應(yīng)發(fā)送給云端服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證。克隆的門鎖設(shè)備由于其 PUF 響應(yīng)與合法設(shè)備不同，無法通過認(rèn)證，從而有效防止了非法解鎖行為。

以下是一個(gè)簡單的設(shè)備認(rèn)證代碼示例（基于 Python 和假設(shè)的服務(wù)器與設(shè)備通信模型）：

4.3 PUF 在設(shè)備認(rèn)證中的應(yīng)用

4.3.1 基于 PUF 的認(rèn)證流程

設(shè)備注冊(cè)：在設(shè)備出廠前或首次接入系統(tǒng)時(shí)，設(shè)備將其 PUF 響應(yīng)信息發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè)。服務(wù)器對(duì)設(shè)備的 PUF 響應(yīng)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，并為設(shè)備分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)。

認(rèn)證請(qǐng)求：當(dāng)設(shè)備需要與系統(tǒng)中的其他設(shè)備或服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)，會(huì)向?qū)Ψ桨l(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求，同時(shí)附上自己的 PUF 響應(yīng)。

響應(yīng)比對(duì)：接收方（服務(wù)器或其他設(shè)備）將接收到的 PUF 響應(yīng)與預(yù)先存儲(chǔ)的該設(shè)備的 PUF 響應(yīng)進(jìn)行比對(duì)。如果比對(duì)結(jié)果一致，則認(rèn)證通過，允許設(shè)備進(jìn)行后續(xù)操作；如果比對(duì)結(jié)果不一致，則認(rèn)證失敗，拒絕設(shè)備的請(qǐng)求，并可能采取相應(yīng)的安全措施，如記錄攻擊日志、發(fā)出警報(bào)等。

4.3.2 強(qiáng) PUF 在設(shè)備認(rèn)證中的優(yōu)勢(shì)：

強(qiáng) PUF 對(duì)設(shè)備認(rèn)證使用經(jīng)典的激勵(lì) - 響應(yīng)模式，無需復(fù)雜的多輪非線性運(yùn)算，直接通過電路產(chǎn)生響應(yīng)，然后與服務(wù)器預(yù)先存儲(chǔ)的響應(yīng)進(jìn)行比較，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行合法性認(rèn)證。相比傳統(tǒng)的用于認(rèn)證的加解密技術(shù)，強(qiáng) PUF 速度更快、功耗更小，特別適用于輕量級(jí)認(rèn)證場景。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，大量的嵌入式設(shè)備需要頻繁進(jìn)行認(rèn)證，使用強(qiáng) PUF 可以大大提高認(rèn)證效率，降低設(shè)備功耗，同時(shí)保證認(rèn)證的安全性。

4.4 實(shí)際案例分析：PUF 成功抵御克隆攻擊

某工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)在其生產(chǎn)的工業(yè)控制器中采用了基于 PUF 的安全認(rèn)證機(jī)制。該工業(yè)控制器用于控制生產(chǎn)線上的各種設(shè)備，對(duì)安全性要求極高。在使用過程中，企業(yè)發(fā)現(xiàn)有不法分子試圖通過克隆工業(yè)控制器來干擾生產(chǎn)流程。由于工業(yè)控制器集成了 PUF，克隆設(shè)備在接入系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)證時(shí)，其 PUF 響應(yīng)與合法設(shè)備的響應(yīng)存在明顯差異，系統(tǒng)立即檢測到了克隆設(shè)備的存在，并及時(shí)采取了措施，如切斷克隆設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接、通知安全管理人員等，成功阻止了克隆攻擊，保障了生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

通過對(duì)該案例的分析可以看出，PUF 在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效地抵御克隆攻擊，為嵌入式設(shè)備提供可靠的安全防護(hù)。隨著 PUF 技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，越來越多的企業(yè)開始將其應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的安全防護(hù)中，以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的克隆攻擊威脅。

五、PUF 技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

5.1 環(huán)境因素對(duì) PUF 的影響

PUF 的響應(yīng)會(huì)受到環(huán)境因素的影響，如溫度、電壓、電磁干擾等。在不同的溫度和電壓條件下，芯片的物理特性可能會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致 PUF 的響應(yīng)產(chǎn)生漂移，出現(xiàn)誤碼。例如，溫度的升高可能會(huì)使芯片內(nèi)部晶體管的參數(shù)發(fā)生變化，影響信號(hào)的傳播延遲，導(dǎo)致基于傳播時(shí)延的 PUF 響應(yīng)發(fā)生改變。這種環(huán)境因素引起的響應(yīng)變化可能會(huì)導(dǎo)致在設(shè)備認(rèn)證或密鑰生成過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，降低 PUF 的可靠性和安全性。

為了解決這一問題，研究人員提出了多種解決方案。一種常用的方法是采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)，如 BCH 糾錯(cuò)編碼。在 PUF 響應(yīng)生成后，對(duì)其進(jìn)行糾錯(cuò)編碼處理，當(dāng) PUF 響應(yīng)受到環(huán)境因素影響出現(xiàn)誤碼時(shí)，通過糾錯(cuò)編碼可以糾正錯(cuò)誤比特，恢復(fù)正確的響應(yīng)。另一種方法是采用溫度補(bǔ)償和電壓補(bǔ)償技術(shù)，通過監(jiān)測環(huán)境溫度