物理不可克隆函数PUF基础
一、概述
1.1 基础概念
PUF（Physical Unclonable Function，物理不可克隆函数）是一种硬件安全技术，利用硬件中固有的物理特性来生成唯一的、无法复制的数字指纹。这种技术常用于安全认证、密钥生成和加密硬件保护。
物理特性包括但不限于：微观制造工艺的随机性、电气特性差异、光学特性、磁学特性、机械特性、热学特性、随机噪声特性等等
1.2 应用介绍
近期，中国移动旗下芯昇科技有限公司新推出一款高安全MCU芯片——CM32Sxx系列，通过使用南京帕孚信息科技有限公司SoftPUF开发工具包，在芯片中集成物理不可克隆功能（PUF），利用PUF技术提取出独一无二的“芯片指纹”，实现了芯片唯一身份标识和安全密钥生成等关键功能。这些特性赋予CM32Sxx系列芯片防克隆、防篡改、抗物理攻击以及侧信道攻击的能力，可为物联网场景下的终端设备提供高级别的安全保障。
CM32Sxx系列芯片选择使用SoftPUF进行PUF集成，相对于其他方案，它具有明显的优势：无需增加额外硬件，也无需修改原有芯片及设备的硬件设计。此外，SoftPUF可以在芯片的整个生命周期中灵活地进行集成，甚至可以部署到已安装在现网的设备上。因此，SoftPUF的推出使得PUF能够以低成本、灵活地集成到芯片和设备中，轻松获得可靠的信任基础。
二、PUF 技术介绍
2.1 PUF 的分类
根据实现方式，PUF 可分为多种类型：
- 硅 PUF(silicon PUF)：基于半导体芯片工艺差异，例如 SRAM PUF、环振荡器（RO）PUF；
- 光学 PUF：利用光在材料中的散射特性生成唯一相应。
- 磁性 PUF：利用材料磁性差异；
- 纳米材料 PUF：利用纳米结构的随机分布特性；
2.2 PUF 的应用场景
2.2.1 身份认证
PUF可用来生成设备唯一的物理指纹，确保设备的身份真实可信。
- 实现方法：
通过挑战-响应对（Challenge-Response Pair, CRP）机制实现认证：
1. 设备生成PUF响应，并与预存的参考响应进行比对。
2. 如果匹配，则确认设备身份。
• 优点：
无需存储固定密钥，仅利用设备内部的PUF特性，防止身份伪造。
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挑战-响应对（****Challenge-Response Pair, CRP）工作原理：
- 挑战（Challenge）：
由认证方生成的随机输入，通常是一个比特串（字符串、数字等）。
2. 响应（Response）：
由被认证方（例如设备或芯片）根据PUF特性（物理不可克隆）或算法对挑战的计算或映射输出的结果。
3. 挑战响应对：
在设备制造或初始化时，预先收集并存储一组挑战和其对应的响应，用于后续身份验证。
挑战-响应机制的流程：
- 初始化阶段：
- 在设备连接时，认证中心向设备发送多个挑战$ C_i $；
- 设备根据 PUF 特性计算或映射出结果，返回多个挑战响应到认证中心；
- 认证中心通过数据库存储设备的挑战响应到安全服务器中；
- 认证阶段：
- 认证方随机选择一个挑战，发送给设备。
- 设备利用其内部PUF特性生成响应，并返回给认证方。
- 认证方将设备返回的响应与数据库中的参考响应进行比对。
- 如果匹配，则验证通过。
:::
2.2.2 动态密钥生成
PUF可以用于生成动态密钥，而不是存储静态密钥，减少被窃取的风险。
- 实现方法
- PUF通过特定挑战生成密钥材料。
- 使用纠错码（如Reed-Solomon码）和熵提取器提高密钥的一致性和随机性。
2.2.3 硬件根信任（Root of Trust）
PUF可作为硬件信任链的基础，用于初始化安全功能和验证系统完整性。
- 实现方法：
- 通过PUF生成唯一密钥，用于签署或验证固件。
- 在设备启动时验证硬件和固件的真实性。
- 优点：
保证设备启动过程未被篡改。
2.2.4 防克隆与伪造
PUF提供了一种自然的防克隆机制，因为制造工艺随机性使得每个PUF响应都唯一。
- 实现方法：
- 将PUF响应嵌入产品中，作为其唯一标识。
- 通过远程验证PUF的响应，确认设备真实性。
- 应用场景：
用于防止IC芯片或其他硬件被仿冒。
2.2.5 硬件加密模块保护
PUF可与硬件加密模块结合，用于保护加密密钥或签名私钥。
- 实现方法：
- 动态生成密钥，并与特定硬件绑定。
- 即使设备被物理入侵，攻击者也无法直接读取加密密钥。
- 优点：
提高硬件加密模块的抗篡改能力。
2.2.6 防止回滚攻击
通过PUF技术，可以记录设备的状态或固件版本，防止攻击者通过恢复旧版本固件来利用已修复的漏洞。
- 实现方法：
- 在PUF生成的密钥基础上，绑定设备的固件版本或状态。
- 在系统启动时，通过验证确保固件为最新版本。
2.2.7 可信执行环境（TEE）中的应用
PUF技术可以增强TEE的安全性，确保运行环境无法被外部干扰或篡改。
- 实现方法：
- 在TEE初始化时，利用PUF生成并保护密钥，用于加密和签名操作。
- 确保TEE的数据和代码完整性。
2.2.8 物联网（IoT）设备安全
物联网设备通常受限于计算能力和存储空间，PUF技术为其提供了轻量级的安全方案。
- 实现方法：
- 通过PUF生成唯一的设备身份，用于设备注册和认证。
- 在数据传输过程中利用PUF生成的密钥加密通信。
2.2.9 防止物理攻击
PUF可以有效防御以下物理攻击：
- 侧信道攻击（Side-channel Attack）：PUF的随机性使其响应难以通过分析电磁泄漏或功耗推测。
- 硬件逆向工程：PUF特性是制造工艺的结果，难以通过复制或模仿获取相同的响应。
2.2.10 基于PUF的区块链安全
PUF生成的唯一标识可以用于确保区块链节点的真实性，防止伪造和篡改。
- 实现方法：
将PUF响应作为设备私钥的一部分，保证节点在网络中的唯一性。
2.3 PUF 动态密钥生成
2.3.1 基于挑战-响应对（CRP）的动态密钥生成
- 原理：
- PUF 接收一个输入（挑战），输出一个响应。
- 挑战可以是随机生成的，响应由 PUF 的物理特性唯一决定。
- 步骤：
- 选择一个随机挑战 $ C $。
- 输入挑战 $ C $到 PUF，获得对应的响应 $ R $。
- 使用响应 $ R $ 直接作为密钥，或通过后续处理（如哈希函数）生成最终密钥。
- 特点：
- 每次输入不同的挑战，生成的密钥都不同，动态性强。
- 挑战可以由通信双方协商或随机选定。
2.3.2 基于 Helper Data 的密钥生成
- 原理：
- PUF 输出通常会受到噪声影响，因此需要一个辅助数据结构（Helper Data）来稳定输出结果。
- Helper Data 通过加密方式安全存储，但不会泄露密钥信息。
- 步骤：
- 注册阶段：
- 提取 PUF 的稳定输出 $ R_{ref}
$。 - 生成辅助数据 $ W $ 来帮助恢复 $ R_{ref}
$，同时保证 $ W
$ 不泄露 $ R_{ref}
$。 - $ W $ 被安全存储在设备中。
- 提取 PUF 的稳定输出 $ R_{ref}
- 密钥恢复阶段：
- 输入相同的挑战 $ C $ 到 PUF，得到有噪声的响应 $ R_{new} $
- 使用辅助数据 $ W $ 对 $ R_{new} $ 进行纠错，恢复原始的 $ R_{ref}
$。 - $ R_{ref}
$ 作为密钥或密钥种子。
- 注册阶段：
- 特点：
- 提高了 PUF 输出的可靠性。
- 适用于受环境噪声影响较大的 PUF。
2.3.3 基于模糊提取器（Fuzzy Extractor）的密钥生成
- 原理：
- 模糊提取器是一种密码学工具，用于从模糊的生物特征或 PUF 输出中生成稳定、随机的密钥。
- 步骤：
- 注册阶段：
- PUF 输出 $ R_{ref}
$ 被分成两个部分：密钥 $ K
$ 和辅助数据 $ K
$。 - $ P
$ 是公开的，但不泄露 $ K
$ 的信息。
- PUF 输出 $ R_{ref}
- 密钥恢复阶段：
- 使用新的 PUF 输出 $ R_{new}
$ 和 $ P $来纠正错误，恢复原始密钥 $ K
$。
- 使用新的 PUF 输出 $ R_{new}
- 注册阶段：
- 特点：
- 确保密钥的高随机性和稳定性。
- 对噪声有很强的容忍度。
2.3.4 基于随机数种子的动态密钥生成
- 原理：
- PUF 输出用于生成随机数种子，后续通过伪随机数生成器（PRNG）扩展为动态密钥。
- 步骤：
- 提取 PUF 输出 $ R $。
- 使用 $ R $ 作为种子输入到 PRNG。
- PRNG 生成所需长度的密钥 $ R $。
- 特点：
- 通过 PRNG 提供额外的随机性。
- 动态密钥长度可控。