双稳态环PUF：一种强物理不可克隆函数的新架构阅读笔记

原文：《The Bistable Ring PUF: A New Architecture for
Strong Physical Unclonable Functions》

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双稳态环PUF：一种强物理不可克隆函数的新架构阅读笔记
- 研究背景：
- - PUF定义：
  - PUF用处：
  - 为什么要研究双稳态？
- 研究过程：
- - （1）双环（基本思想）
  - （2）双稳态PUF的结构
  - （3）PUF质量和实验设置
- 研究结果：
- 研究结论：
- 论文扩展可读：

研究背景：

本文介绍了一种基于电路的物理不可克隆功能（PUF）的新架构，我们将其称为双稳态环PUF（BR-PUF）。根据从基于FPGA的BR-PUF实现中获得的实验结果，从不同方面讨论了这种新设计的质量，包括唯一性和可靠性。基于观察到的BR-PUF挑战响应行为的复杂性，我们认为这种新的PUF可能是强PUF的有希望的候选者。我们的设计显示出明显的温度敏感性，但我们讨论了如何通过其他硬件和协议措施来解决此问题。

PUF定义：

PUF是一种物理功能，可以根据发生的复杂物理现象将挑战（输入）映射为响应（输出）在PUF结构中。

PUF用处：

PUF可以摆脱传统加密技术在侵入性和非侵入性侧信道攻击方面的某些固有漏洞[9]，并且可以在各种安全应用中使用，例如密钥混淆，设备识别，以及基于他们的质询-响应对（CRP）的质询-响应认证。

电气本征PUF基于集成电路（IC）及其常规制造技术。Electrical intrinsic PUFs are based on integrated circuits (ICs)。

对于具有相对较少的阶段数（例如64个阶段）的Arbiter PUF，在有限的时间范围（例如几天甚至几周）内对其所有CRP进行完整测量是不可行的。可以用简单的加性延迟模型描述其挑战-响应行为。

基于内存的PUF，即SRAM PUF，Butterfly PUF和Flip-flopPUF，拥有的CRP数量甚至更少，与它们的大小成比例。（缺点，易被破解）

为什么要研究双稳态？

机器学习算法[6]仅使用了可以在短时间内测量的相对较小的CRP。某些对策（例如，将前馈阶段添加到原始结构，或对多个仲裁器输出进行异或运算）也容易受到改进的机器学习攻击的影响，尽管只能达到某种程度的PUF复杂性（例如，仅达到六个XOR）[6]。RO-PUF仅提供二次数量的CRP，这可能使得在有限的时间内全面读出其所有CRP成为可能。
再者，强PUF的研究不再有意义。
研究问题：
双稳态环PUF（BR-PUF）。我们将解释其特殊性能，使其可能成为强PUF的良好候选者，并根据基于现场可编程门阵列（FPGA）的实现。

研究过程：

II.THE BISTABLE RING PUF

（1）双环（基本思想）

图1.八级双稳态环的两个可能的稳定状态
BR-PUF的基本思想基于以下事实：由偶数个逆变器组成的逆变器环具有两个可能的稳定状态。与基于一对交叉耦合的逆变器的静态随机存取存储器（SRAM）单元类似，具有偶数个逆变器的环在上电时或更一般地在处于通电状态时会陷入其两个可能的稳定状态之一从某种不稳定状态中释放出来。我们将这种反相器环称为双稳态环。

对于任何逆变器Invi，其输入ini都会不断变化，因为逆变器的前一级对其进行强制。随着ini电压的增加，向上驱动i的趋势减弱。如果ini超出亚稳点，而Invi不显示驱动“ 0”或“ 1”输出的偏好，则Invi开始迫使outi下降，并且这种趋势会更强随着i的增加。

通常情况下：在某个时间点，节点电压可能已经超过了亚稳态点，甚至可能已经非常接近最大电压。尽管它可能再次上升，但从其前一阶段发出的波浪仍可能完全改变局势，迫使其降至亚稳点以下。由于一个双稳态环仅产生1位输出，代表两个可能的稳定状态。

双稳态环在加电时可能显示出复杂的过渡过程。

（2）双稳态PUF的结构

目的：使上述的双稳态环转变为能够生成指数数量的CRP且易于使用的双稳态环PUF。

以下架构更改：
1）对于每个阶段，都要复制一个逆变器，并在其中一对增加了多路复用器（MUX）和多路分解器（DEMUX），以选择要在逆变器环路中连接的任何一个逆变器；
2）所有逆变器均替换为2输入或非门或与非门，并且门的第二输入连接至重置信号，该重置信号替代上电和断电操作。

在这个PUF中，每个基本级都包含两个NOR门，一个是门上的MUX输出，以及在栅极输入处的DEMUX。

由于64个级以环形连接，因此在应用64位质询时，所有选择的NOR门将形成NOR门环。通过应用不同的挑战，选择了NOR门的不同组合。

这是通过简单地拉高复位信号，复位信号的高低过渡启动评估阶段，类似于双稳态环的上电过程。

施加矩形波作为复位信号可以定期生成许多CRP，并可以多次评估相同的挑战。

要输出响应（代表最终状态的1位响应），可以将两个基本级之间的任何节点用作读出端口。在图2中，将阶段31和阶段32之间的节点用作响应输出R。为测量CRP，应在评估阶段之前给出质询信号C，并保持稳定直到评估结束。

0. i = 0;
1. Pull high reset;//拉高复位
2. Apply a 64-bit challenge signal Ci; //施加一个64位质询信号Ci;
3. Wait for the bistable ring to be in the all-“0” state; //等待双稳态环处于全“ 0”状态；
4. Pull low reset;//拉低复位；
5. Wait for some time to let the bistable ring stabilize;  //等待一段时间以使双稳态环稳定；
6. Read out the 1-bit response Ri;  //读出1位响应Ri;
7. i = i + 1; repeat from Step 1 to measure more CRP(s). //i = i + 1;从第1步开始重复以测量更多的CRP。

（3）布局缺点
BR-PUF需要对称布局（类似于仲裁器PUF）才能产生“理想的”性能（在第III节中讨论），与对RO-PUF要求相对宽松的RO-PUF相比，这可能成为一个缺点。

（3）PUF质量和实验设置

Puf品质的两个最重要的指标是唯一性（也称为芯片间/裸片汉明距离）和可靠性（也称为芯片内/裸片汉明距离）。

（1）唯一性
唯一性衡量的是PUF可以从不同芯片（芯片）生成的CRP有多独特。它通常由对同一组挑战的响应的标准化归一化芯片间汉明距离（HDs；由汉明距离，我们总是指一个归一化的平均值）的平均值来定义，是在实现该问题的一组芯片之间成对测量的相同的PUF设计。
公式定义：对于实施相同PUF设计P的m个芯片组，每对芯片u和v分别具有n位响应Ru和Rv， P的唯一性度量定义为

（2）可靠性
可靠性衡量PUF在可能变化的运行条件下可以生成CRP的可靠性/可复制性。在此，变化的运行条件的定义可以取决于PUF的应用。典型的变化工作条件包括温度，电源电压和环境噪声。PUF的可靠性通常由参考响应与在不同操作条件下测得的响应之间的晶粒内HD平均值来定义，在该条件下使用相同的挑战集。
在正常工作条件下对每个芯片i进行测量，以生成对一组挑战的n位参考响应Ri，然后用相同的测量值再进行k次测量。挑战集，针对不同的工作条件生成R’i,j（j = 1,2，…，k）。因此，将芯片i的可靠性度量定义为

为了表征BR-PUF，存在两种可能性用于概念验证：一种是SPICE仿真，另一种是基于FPGA的实现。

开始实验
有限状态机（FSM）控制上述整个机载过程。
在PC端，来自FPGA板的数据存储在文本文件中，并由MATLAB程序处理。

研究结果：

要使用PUF，在应用挑战之后，人们总是需要知道它所需的时间，直到可以安全地测量响应。
我们能够以复位信号的周期时间（1.698µs）定义的分辨率测量每个响应的近似建立时间。
对于每个挑战，我们将时间点（在28个时间点中）作为估计的稳定时间点，双稳态环首先进入“ 5”或“ A”状态。通过检查我们获得的所有响应，发现只要双稳态环进入“ 5”或“ A”状态，就不会再次离开该状态

A. 建立时间
B. 抗环境噪声的唯一性和可靠性
C. 抗温度变化的可靠性

D. 抗老化的可靠性

研究结论：

引入了一种新的PUF设计，称为双稳态环PUF。在不同方面研究了这种新型PUF的质量，并讨论了BR-PUF的一些特殊特性，这些特性使其更易于提供高效的识别和认证。尽管发现
BR-PUF是对温度敏感的PUF，但是由于它在特定温度下仍然非常可靠，因此当在不同温度下使用时，结合了运行条件标识符的扩展认证协议将引入到BR-PUF中。BR-PUF具有相对可靠的抗老化能力。
BR-PUF可能具有以下优势：
Compared to PUFs that are based on cross-coupled structures (SRAM PUF, Butterfly PUF, and Flip-flop PUF), the BR-PUF is able to generate an exponential number （指数级）of CRPs. This makes it usable both as a Weak PUF and a Strong PUF [8], which broadens its application area（它既可以用作弱PUF，也可以用作强PUF）

Compared to standard delay-based PUFs (Arbiter PUF and RO-PUF), we suspect that its behavior could be more complex, since it exhibits strong and inherent nonlinearities. Even though this needs to be confirmed by further analysis, we have yet been unable to find a simple model of the BR-PUF that would be necessary to mount machine learning and modeling-based attacks.

For certain challenges, the BR-PUF would oscillate for a relatively significant period before it stabilizes, leading to long read-out times（缺点）. While this is undesirable in certain applications (where the use of such CRPs should be avoided), it can be useful in other scenarios: It could prevent the time-efficient collection of large amounts of CRPs（优点它可以防止大量CRP的高效
时间收集，这可能是有效建模攻击所必需的。）, which would probably be needed for efficient modeling attacks. BR-PUFs naturally exhibit this slow-readout attribute, which has also been exploited in

The non-uniformity of response settling times of the BR-PUF makes it possible to separate CRPs by quality very easily,（优点，容易分离质询对） and to select CRPs with different characteristics for possibly different purposes. This has been discussed in greater detail in Sec. IV.

论文扩展可读：

Some most often discussed electrical intrinsic PUFs are the Arbiter PUF [24] and its variants [24, 30], the Ring Oscillator PUF (RO-PUF) [25], the SRAM PUF [12], the Butterfly PUF [26], the Flip-flop PUF [27], etc. Arbiter PUFs are the first proposed electrical intrinsic PUFs which possess an exponential (relative to the size of the PUF) number of CRPs.

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