物理不可克隆(long)(long)功(gong)能(neng)（PUF）在嵌入式設備密(mi)鑰生成(cheng)與防克隆(long)(long)攻擊中的(de)應(ying)用
時間：2025-04-14 來(lai)源：華清遠見
一、引言
在當(dang)今數(shu)字(zi)化時代，嵌入式(shi)設備(bei)(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)于各(ge)個(ge)領域，從智能(neng)家居(ju)到(dao)工業控(kong)制，從醫療設備(bei)(bei)到(dao)軍事國防(fang)。隨著(zhu)(zhu)物聯網（IoT）的(de)(de)(de)迅(xun)猛(meng)發展，嵌入式(shi)設備(bei)(bei)的(de)(de)(de)數(shu)量呈爆炸式(shi)增長，它(ta)們相(xiang)互(hu)連接，構建起(qi)龐大而(er)復雜的(de)(de)(de)智能(neng)網絡。然(ran)而(er)，這種廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)和互(hu)聯也帶來了(le)嚴峻的(de)(de)(de)安全挑戰。嵌入式(shi)設備(bei)(bei)往往存(cun)儲著(zhu)(zhu)敏感信息，如用(yong)戶數(shu)據、設備(bei)(bei)控(kong)制指令等，并且可能(neng)在安全防(fang)護(hu)相(xiang)對薄弱的(de)(de)(de)環境中運行，容易成為(wei)攻擊(ji)者的(de)(de)(de)目標。
傳統的(de)(de)安(an)全(quan)機制在(zai)面(mian)對(dui)日益復(fu)雜的(de)(de)攻(gong)(gong)擊(ji)(ji)手段(duan)時(shi)，逐漸暴露出(chu)其局限性。例(li)如，基(ji)于(yu)軟件(jian)的(de)(de)加(jia)密方(fang)法依(yi)賴于(yu)密鑰的(de)(de)存儲和(he)管(guan)理，而密鑰一旦被(bei)竊取(qu)，整個安(an)全(quan)體系將面(mian)臨(lin)崩潰。硬件(jian)層面(mian)的(de)(de)安(an)全(quan)防(fang)護(hu)也面(mian)臨(lin)著物理攻(gong)(gong)擊(ji)(ji)的(de)(de)威脅，攻(gong)(gong)擊(ji)(ji)者(zhe)可以通(tong)過(guo)微探針攻(gong)(gong)擊(ji)(ji)、冷凍攻(gong)(gong)擊(ji)(ji)等手段(duan)獲取(qu)設(she)備中的(de)(de)敏感(gan)信息。在(zai)這(zhe)樣的(de)(de)背景下，物理不(bu)可克隆(long)功能（Physical Unclonable Function，PUF）作為(wei)一種(zhong)新(xin)興的(de)(de)硬件(jian)安(an)全(quan)技術，應運(yun)而生(sheng)，為(wei)嵌(qian)入(ru)式設(she)備的(de)(de)安(an)全(quan)防(fang)護(hu)提供(gong)了新(xin)的(de)(de)思路和(he)解決(jue)方(fang)案。
PUF 利用(yong)芯片制(zhi)造(zao)過程(cheng)中(zhong)由于工藝偏(pian)差等物理特(te)性產生(sheng)的不可預測、不可克隆(long)的隨機特(te)征，為每(mei)個芯片提供獨一無(wu)二的 “指(zhi)紋(wen)”。這些指(zhi)紋(wen)可以用(yong)于生(sheng)成加密密鑰，實現設(she)備的身份(fen)認證，有效(xiao)抵(di)御克隆(long)攻擊和物理攻擊，從而顯著(zhu)提升嵌入式(shi)設(she)備的安(an)全性。本文將深入探討 PUF 技術在嵌入式(shi)設(she)備密鑰生(sheng)成與防(fang)克隆(long)攻擊中(zhong)的應(ying)用(yong)，詳細介紹其原理、工作機制(zhi)、優勢(shi)以及實際應(ying)用(yong)案例，并對未來發展(zhan)趨勢(shi)進行(xing)展(zhan)望。
二、物理不可克隆功能（PUF）概述
2.1 PUF 的定義(yi)與基本(ben)原(yuan)理(li)
物理(li)不(bu)可克隆功能(neng)（PUF）是一種依賴于(yu)芯片物理(li)特性(xing)的(de)(de)硬件(jian)函數(shu)實現電路。其(qi)核心原理(li)是利(li)用芯片制造過程中不(bu)可避免地引(yin)入的(de)(de)微(wei)小工藝參數(shu)偏(pian)差(cha)，這些偏(pian)差(cha)在(zai)每一個芯片上都是獨一無二的(de)(de)，且具有隨機性(xing)和不(bu)可控性(xing)。當(dang)向 PUF 電路輸(shu)入一個激勵(li)(li)信號(hao)（Challenge）時，由于(yu)芯片內部物理(li)結(jie)構的(de)(de)差(cha)異，會產生一個唯一且不(bu)可預測的(de)(de)響(xiang)應信號(hao)（Response），從而(er)實現激勵(li)(li)信號(hao)與響(xiang)應信號(hao)之間(jian)唯一對應的(de)(de)函數(shu)功能(neng)。
例如，在基于仲(zhong)裁器(qi)的 PUF（Arbiter PUF）中(zhong)，數字信號(hao)在兩條不(bu)同(tong)路(lu)(lu)徑上(shang)傳播時，由于制造工藝導致的路(lu)(lu)徑長(chang)度、晶體管參數等微(wei)小差異，使得信號(hao)在到達(da)仲(zhong)裁器(qi)時產(chan)(chan)生(sheng)不(bu)同(tong)的延遲。通過比較兩條路(lu)(lu)徑信號(hao)到達(da)仲(zhong)裁器(qi)的先后(hou)順序(xu)，就可以得到一個與芯片物理(li)特性相關的響應。這種(zhong)響應是基于芯片的物理(li)結構(gou)產(chan)(chan)生(sheng)的，即使是在同(tong)一批次(ci)生(sheng)產(chan)(chan)的芯片，其響應也(ye)具有很(hen)高的差異性，因(yin)此幾(ji)乎無法被(bei)克隆。
2.2 PUF 的(de)分類(lei)
PUF 按照實現方法可(ke)以分(fen)為多種類(lei)型，常見的有以下幾類(lei)：
2.2.1 數字電(dian)路 PUF:
基(ji)于(yu)存儲器的(de) PUF：利用存儲器單(dan)元(yuan)(yuan)結(jie)構的(de)穩(wen)定狀態(tai)來生成響(xiang)應。例如，SRAM PUF 利用 SRAM 單(dan)元(yuan)(yuan)在加(jia)電時的(de)初(chu)始狀態(tai)，由于(yu)制造工藝差(cha)異(yi)，不(bu)同(tong)的(de) SRAM 單(dan)元(yuan)(yuan)在不(bu)穩(wen)定狀態(tai)向穩(wen)定狀態(tai)轉化(hua)時具有明(ming)確的(de)偏向，從而產(chan)生不(bu)同(tong)的(de)初(chu)始值作為響(xiang)應。觸(chu)發器 PUF 和(he)蝴蝶 PUF 也屬于(yu)這(zhe)一類，它(ta)們基(ji)于(yu)雙穩(wen)態(tai)邏輯單(dan)元(yuan)(yuan)的(de)制造變化(hua)差(cha)異(yi)來工作。
基于(yu)傳(chuan)播時延(yan)的(de) PUF：數字信(xin)號在電路(lu)中(zhong)的(de)傳(chuan)播會受到(dao)多種因素的(de)影(ying)響(xiang)，如 MOSFET 通道長度(du)、寬度(du)和(he)閾(yu)值電壓(ya)、氧(yang)化(hua)層厚度(du)、金(jin)屬(shu)線(xian)的(de)形狀等，這些因素導致信(xin)號傳(chuan)播延(yan)遲具有部分隨機性。基于(yu)仲(zhong)裁(cai)器的(de) PUF 就是(shi)(shi)典型(xing)代表，它(ta)通過比較(jiao)兩條信(xin)號傳(chuan)播路(lu)徑的(de)延(yan)遲差(cha)異來產(chan)(chan)生響(xiang)應。基于(yu)環(huan)形振(zhen)(zhen)蕩器的(de) PUF 則是(shi)(shi)利用不同環(huan)形振(zhen)(zhen)蕩器由(you)于(yu)工藝偏差(cha)導致的(de)振(zhen)(zhen)蕩頻率差(cha)異來生成響(xiang)應，基于(yu)毛刺的(de) PUF 利用電路(lu)中(zhong)產(chan)(chan)生的(de)毛刺信(xin)號特(te)性來實現(xian) PUF 功能。
2.2.2 模擬電路 PUF：
模擬電(dian)路 PUF 中最具代表性(xing)的是(shi)涂(tu)層 PUF（Coating PUF）。它通(tong)過在芯片表面添(tian)加一(yi)層具有(you)隨機物(wu)理特(te)性(xing)的涂(tu)層，當(dang)激勵信(xin)號(hao)(hao)通(tong)過與涂(tu)層相互作用后，產生與涂(tu)層物(wu)理特(te)性(xing)相關的響應信(xin)號(hao)(hao)。
2.2.3 非電(dian)子 PUF：
這類 PUF 不依賴于傳(chuan)統的(de)(de)電子電路。最具代表性(xing)的(de)(de)是(shi)光(guang)(guang)學 PUF，它(ta)利(li)用光(guang)(guang)學元(yuan)件(jian)的(de)(de)物理特性(xing)對光(guang)(guang)信號的(de)(de)調(diao)制作用來實現 PUF 功(gong)能，是(shi)安全應用中 PUF 概念的(de)(de)第一個(ge)正式描(miao)述。此外(wai)，還有紙 PUF 和(he) CD PUF 等，它(ta)們分別利(li)用紙張或光(guang)(guang)盤的(de)(de)物理特性(xing)產(chan)生(sheng)唯(wei)一的(de)(de)響應。
2.3 PUF 的特(te)性(xing)
1. 唯(wei)一(yi)性：由(you)于每(mei)個芯(xin)片的(de)制造工藝偏差都是(shi)(shi)獨(du)一(yi)無二的(de)，因此(ci) PUF 產生的(de)響應對于每(mei)個芯(xin)片來說也是(shi)(shi)唯(wei)一(yi)的(de)，就像人類的(de)指紋一(yi)樣，可作為芯(xin)片的(de)獨(du)特身份標識。
2. 不(bu)(bu)可(ke)(ke)克隆(long)性：要精(jing)確(que)克隆(long)一(yi)個 PUF 的物理結構和特性幾乎是不(bu)(bu)可(ke)(ke)能的，因為(wei)制造工藝(yi)偏差(cha)(cha)的隨(sui)機性和微(wei)小性使(shi)得(de)即使(shi)是在同一(yi)生(sheng)產線上(shang)生(sheng)產的芯片，其 PUF 響應也具有很(hen)大(da)差(cha)(cha)異。這(zhe)種(zhong)不(bu)(bu)可(ke)(ke)克隆(long)性為(wei)設備提供了高度的安全(quan)保(bao)障，有效(xiao)防止了克隆(long)攻擊(ji)。
3. 不(bu)可(ke)預測性(xing)：PUF 的響應是基于芯(xin)片物(wu)理特性(xing)產生的，在制造之(zhi)前無法預測其具體值。即使攻(gong)擊(ji)者知道 PUF 的設計原理和激勵信(xin)號(hao)，也(ye)無法準確預測響應信(xin)號(hao)，增加了攻(gong)擊(ji)的難度。
4. 輕(qing)量(liang)(liang)級：PUF 通(tong)常不需要復(fu)雜(za)的(de)硬件電路或大量(liang)(liang)的(de)計(ji)算資(zi)源(yuan)，與傳統的(de)安全(quan)機制相比，具有較(jiao)低的(de)功耗和硬件開(kai)銷，非常適合資(zi)源(yuan)受限(xian)的(de)嵌入式設備。
5. 隨機性：PUF 產生(sheng)(sheng)的(de)響應具有隨機性，這(zhe)使得其(qi)生(sheng)(sheng)成的(de)密鑰具有較高的(de)安(an)全性，難(nan)以被破解。
三、PUF 在嵌入式設備密鑰生成中的應用
3.1 傳統(tong)密鑰生成方(fang)法的局限性
在傳統(tong)的(de)(de)嵌入式設(she)(she)備(bei)(bei)中，密(mi)鑰生成和存(cun)(cun)儲(chu)方(fang)式存(cun)(cun)在諸(zhu)多安全(quan)隱患。常見的(de)(de)方(fang)法是將(jiang)密(mi)鑰預先存(cun)(cun)儲(chu)在設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)非(fei)易失性存(cun)(cun)儲(chu)器（如 EEPROM、Flash 等）中。這種(zhong)方(fang)式容易受到(dao)物理(li)攻(gong)擊(ji)(ji)，攻(gong)擊(ji)(ji)者(zhe)可以(yi)通過微(wei)探針(zhen)攻(gong)擊(ji)(ji)、冷(leng)凍攻(gong)擊(ji)(ji)等手段直接從存(cun)(cun)儲(chu)器中讀取密(mi)鑰。一旦(dan)密(mi)鑰泄露(lu)，設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)安全(quan)性將(jiang)蕩然無存(cun)(cun)，攻(gong)擊(ji)(ji)者(zhe)可以(yi)輕易地訪問設(she)(she)備(bei)(bei)中的(de)(de)敏感信息，或(huo)者(zhe)對(dui)設(she)(she)備(bei)(bei)進行惡意(yi)控制。
此外，傳統(tong)的(de)(de)(de)密鑰(yao)(yao)(yao)生成算(suan)法(fa)通常依賴于軟(ruan)件(jian)實現，容易受到軟(ruan)件(jian)漏洞和惡意軟(ruan)件(jian)的(de)(de)(de)攻擊。軟(ruan)件(jian)算(suan)法(fa)可(ke)能(neng)存在被(bei)破解或篡(cuan)改(gai)的(de)(de)(de)風(feng)險(xian)，導致密鑰(yao)(yao)(yao)被(bei)竊(qie)取或生成不安(an)全的(de)(de)(de)密鑰(yao)(yao)(yao)。而且，對于大量(liang)嵌(qian)入式設備的(de)(de)(de)密鑰(yao)(yao)(yao)管理也(ye)面臨(lin)著挑戰(zhan)，如何安(an)全地分配(pei)、更新和存儲密鑰(yao)(yao)(yao)成為(wei)一個復雜的(de)(de)(de)問題。
3.2 PUF 用于(yu)密鑰生成的優勢
1. 增強密鑰(yao)安全性：PUF 利用芯(xin)片(pian)的(de)物理特(te)性生成密鑰(yao)，密鑰(yao)與芯(xin)片(pian)本身緊(jin)密綁定，具(ju)有唯一性和不可克隆性。即使攻擊者獲取了設(she)備，也無(wu)法通過(guo)克隆芯(xin)片(pian)來獲取相同(tong)的(de)密鑰(yao)，大(da)(da)大(da)(da)提高了密鑰(yao)的(de)安全性。例(li)如(ru)，基于(yu) SRAM PUF 生成的(de)密鑰(yao)，由(you)于(yu) SRAM 單元的(de)初始(shi)狀態(tai)是由(you)芯(xin)片(pian)制造工(gong)藝決(jue)定的(de)，無(wu)法被人為篡改或預測(ce)，使得密鑰(yao)具(ju)有極高的(de)安全性。
2. 無需密(mi)鑰(yao)存儲(chu)：傳統方法需要(yao)將密(mi)鑰(yao)存儲(chu)在(zai)設備(bei)(bei)的(de)存儲(chu)器(qi)中，而 PUF 只在(zai)設備(bei)(bei)上電或需要(yao)時通過集成電路的(de)物理特性衍生出密(mi)鑰(yao)，不(bu)需要(yao)將密(mi)鑰(yao)永久(jiu)存儲(chu)在(zai)安全存儲(chu)器(qi)中，減少了(le)密(mi)鑰(yao)被竊取的(de)風(feng)險。這(zhe)對(dui)于資源受(shou)限的(de)嵌入(ru)式設備(bei)(bei)尤為(wei)重要(yao)，因為(wei)它(ta)節省了(le)用于存儲(chu)密(mi)鑰(yao)的(de)存儲(chu)器(qi)空間，同(tong)時也降低了(le)對(dui)存儲(chu)器(qi)安全性的(de)依賴。
3. 天(tian)然的(de)防篡(cuan)(cuan)改特性：由于 PUF 生成的(de)密(mi)鑰與芯片的(de)物理(li)結(jie)構緊密(mi)相(xiang)關，任何(he)對(dui)芯片的(de)物理(li)篡(cuan)(cuan)改都可能導致 PUF 響應發(fa)生變(bian)化，從而(er)使(shi)得生成的(de)密(mi)鑰也發(fa)生改變(bian)。這種天(tian)然的(de)防篡(cuan)(cuan)改特性可以有效檢測到(dao)設備(bei)是否受(shou)到(dao)物理(li)攻(gong)擊，一旦檢測到(dao)攻(gong)擊，設備(bei)可以采取相(xiang)應的(de)措(cuo)施，如鎖定設備(bei)或發(fa)出警報。
4. 與(yu) CMOS 技術兼容：大多(duo)數 PUF 技術都與(yu)現(xian)有(you)的 CMOS 制造工(gong)藝兼容，這意(yi)味(wei)著在(zai)不改變現(xian)有(you)芯(xin)片制造流(liu)程的基礎上，就可以集成(cheng) PUF 功能(neng)，便于(yu)大規模生產和(he)應(ying)用。這為 PUF 在(zai)嵌入式設備中(zhong)的廣泛應(ying)用提供了便利(li)條件，降低了成(cheng)本(ben)和(he)技術門檻。
3.3 PUF 密鑰生成過程
1. 激勵(li)(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)輸入(ru)：首先，向 PUF 電路(lu)輸入(ru)一個特定的激勵(li)(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)（Challenge）。這(zhe)個激勵(li)(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)可以是(shi)數字信(xin)(xin)號(hao)(hao)、模擬信(xin)(xin)號(hao)(hao)或其(qi)他形式的信(xin)(xin)號(hao)(hao)，其(qi)具體形式取(qu)決于(yu) PUF 的類型(xing)。例如，對于(yu)基于(yu)仲(zhong)裁(cai)器的 PUF，激勵(li)(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)可能(neng)是(shi)一系列的數字脈沖序列，用于(yu)觸發信(xin)(xin)號(hao)(hao)在不同路(lu)徑上的傳播。
2. PUF 響應生成：PUF 電路接(jie)收到激勵(li)(li)信(xin)號后(hou)，由于芯片內部物理結構的(de)差異，激勵(li)(li)信(xin)號在(zai)電路中傳播時(shi)會產生不同的(de)響應。例如，在(zai)基于 SRAM PUF 中，激勵(li)(li)信(xin)號可能是加電操作(zuo)，SRAM 單(dan)元在(zai)加電后(hou)會根(gen)據其自身(shen)的(de)物理特(te)性進入不同的(de)初始狀態，這些初始狀態就構成了(le) PUF 的(de)響應。
3. 密(mi)(mi)鑰(yao)提(ti)(ti)取(qu)(qu)：從 PUF 的響應(ying)(ying)信號中(zhong)提(ti)(ti)取(qu)(qu)出用(yong)(yong)于(yu)(yu)加密(mi)(mi)或認證(zheng)的密(mi)(mi)鑰(yao)。通常需(xu)要對(dui) PUF 的響應(ying)(ying)進行后處(chu)理，以提(ti)(ti)高密(mi)(mi)鑰(yao)的質(zhi)量和安全性。例(li)如，采用(yong)(yong)糾錯編(bian)碼技術來糾正由于(yu)(yu)環(huan)境噪聲等因素導致的 PUF 響應(ying)(ying)中(zhong)的錯誤比特，采用(yong)(yong)哈希函數對(dui) PUF 響應(ying)(ying)進行處(chu)理，以生(sheng)成固定長度且具(ju)有良好隨機性的密(mi)(mi)鑰(yao)。在(zai)一些應(ying)(ying)用(yong)(yong)中(zhong)，還會結合其他(ta)安全算法(fa)，如對(dui)稱(cheng)加密(mi)(mi)算法(fa)，對(dui)提(ti)(ti)取(qu)(qu)的密(mi)(mi)鑰(yao)進行進一步的加密(mi)(mi)和保護(hu)。
以下是一(yi)個簡(jian)單的(de)基于 Python 的(de)代碼示(shi)(shi)例，展示(shi)(shi)如何對 PUF 響(xiang)應進行哈(ha)希處(chu)理以生(sheng)成密鑰（實際應用中會更為復雜且在硬件層面實現）
3.4 PUF 密(mi)鑰生成的實(shi)際(ji)案例(li)
中國移動(dong)旗下芯(xin)昇科技(ji)有限公司(si)推出(chu)的(de)高安全 mcu 芯(xin)片 ——cm32sxx 系(xi)列，通過使用南(nan)京(jing)帕(pa)孚信(xin)息(xi)科技(ji)有限公司(si) softpuf 開發工具(ju)包，在(zai)芯(xin)片中集成(cheng)了物理不(bu)可克隆功能(neng)（PUF）。利用 PUF 技(ji)術提(ti)取出(chu)獨(du)一無二的(de) “芯(xin)片指(zhi)紋”，并將(jiang)其用于(yu)生成(cheng)安全密(mi)鑰。這些密(mi)鑰為設備提(ti)供了強(qiang)大的(de)安全保障(zhang)，使得 cm32sxx 系(xi)列芯(xin)片具(ju)備防(fang)克隆、防(fang)篡改、抗物理攻擊以及側信(xin)道攻擊的(de)能(neng)力，能(neng)夠(gou)為物聯網場景下的(de)終端設備提(ti)供高級別的(de)安全防(fang)護。
在實際應用(yong)中，cm32sxx 系(xi)列芯片可以(yi)用(yong)于智(zhi)能(neng)家(jia)(jia)居設備的(de)控制模(mo)塊。設備上電后，通過 PUF 生成唯(wei)一的(de)密(mi)鑰，用(yong)于與智(zhi)能(neng)家(jia)(jia)居系(xi)統(tong)中的(de)其他設備進行安全(quan)通信和認證(zheng)。由于密(mi)鑰是基于芯片的(de)物理特性(xing)生成的(de)，即使攻擊者試圖(tu)克(ke)隆設備，也無法獲(huo)取相同的(de)密(mi)鑰，從而保證(zheng)了智(zhi)能(neng)家(jia)(jia)居系(xi)統(tong)的(de)安全(quan)性(xing)。
四、PUF 在嵌入式設備防克隆攻擊中的應用
4.1 克(ke)隆攻擊對(dui)嵌入式設(she)備(bei)的威脅(xie)
克隆攻擊(ji)是(shi)嵌入式設備面臨(lin)的(de)嚴(yan)重(zhong)(zhong)安全威(wei)脅(xie)之一(yi)。攻擊(ji)者通(tong)過復制(zhi)設備的(de)硬(ying)件和軟件，制(zhi)造出與原始設備外觀和功能(neng)相似(si)的(de)克隆設備，然后利用(yong)這些克隆設備進行(xing)惡意活(huo)動，如竊取用(yong)戶數(shu)據、干擾設備正常運行(xing)、進行(xing)非法的(de)控(kong)制(zhi)操作等。在一(yi)些關鍵領域，如醫療(liao)設備、工業控(kong)制(zhi)系統、金融支付終端(duan)等，克隆攻擊(ji)可能(neng)會造成嚴(yan)重(zhong)(zhong)的(de)后果，危及人們的(de)生(sheng)命安全、導致工業生(sheng)產事故或造成重(zhong)(zhong)大的(de)經濟(ji)損失。
例如，在醫(yi)療(liao)領域，克(ke)隆(long)的(de)(de)醫(yi)療(liao)設(she)(she)備可(ke)能會給出錯(cuo)(cuo)誤(wu)的(de)(de)診斷結果或執行錯(cuo)(cuo)誤(wu)的(de)(de)治療(liao)操作，對患者的(de)(de)健(jian)康造成(cheng)極大(da)危害。在工業控制系(xi)統中，克(ke)隆(long)設(she)(she)備可(ke)能被(bei)用于干擾生(sheng)產(chan)流(liu)程，破壞工業設(she)(she)施(shi)，影響企業的(de)(de)正常(chang)生(sheng)產(chan)運營(ying)。而(er)且，隨(sui)著(zhu)嵌(qian)入(ru)式設(she)(she)備的(de)(de)廣泛(fan)應(ying)用和供(gong)應(ying)鏈的(de)(de)復雜性增加，克(ke)隆(long)攻擊(ji)變(bian)得越來(lai)越容(rong)易實施(shi)，給設(she)(she)備制造商和用戶帶(dai)來(lai)了巨大(da)的(de)(de)安全風險。
4.2 PUF 抵(di)御(yu)克隆攻(gong)擊(ji)的原理
PUF 的(de)(de)唯(wei)一性和(he)不可(ke)克(ke)隆(long)性是(shi)其抵(di)御克(ke)隆(long)攻(gong)擊的(de)(de)核心。每個嵌入(ru)式設(she)備(bei)的(de)(de) PUF 都(dou)具(ju)有獨一無二的(de)(de)物理(li)特(te)征(zheng)，基(ji)于(yu)這些特(te)征(zheng)生成的(de)(de)設(she)備(bei)指紋和(he)密鑰也(ye)是(shi)唯(wei)一的(de)(de)。當設(she)備(bei)進行身份認證時，服務器(qi)會(hui)存儲每個合法設(she)備(bei)的(de)(de) PUF 響應(ying)信息。克(ke)隆(long)設(she)備(bei)由(you)于(yu)其物理(li)結(jie)構(gou)與原(yuan)始設(she)備(bei)不同，即使(shi)在外觀和(he)功能上進行了模(mo)仿(fang)，其 PUF 響應(ying)也(ye)會(hui)與原(yuan)始設(she)備(bei)存在顯著(zhu)差異(yi)。
在(zai)認(ren)證(zheng)過程中，設備(bei)向服(fu)(fu)務器發送 PUF 響(xiang)(xiang)應，服(fu)(fu)務器將接收(shou)到的(de)響(xiang)(xiang)應與預先存儲的(de)合(he)法(fa)設備(bei)響(xiang)(xiang)應進行比對。如(ru)果響(xiang)(xiang)應不匹配，服(fu)(fu)務器就可以判斷該設備(bei)為(wei)克隆設備(bei)，從(cong)而拒絕其訪問或采取(qu)其他安全措施。例如(ru)，在(zai)一個(ge)基于物聯網(wang)的(de)智能門鎖(suo)系統中，每個(ge)門鎖(suo)設備(bei)都集成(cheng)了 PUF。用戶在(zai)使用手機 APP 解鎖(suo)門鎖(suo)時，門鎖(suo)設備(bei)會將其 PUF 響(xiang)(xiang)應發送給(gei)云端服(fu)(fu)務器進行認(ren)證(zheng)。克隆的(de)門鎖(suo)設備(bei)由(you)于其 PUF 響(xiang)(xiang)應與合(he)法(fa)設備(bei)不同(tong)，無法(fa)通過認(ren)證(zheng)，從(cong)而有效(xiao)防(fang)止了非法(fa)解鎖(suo)行為(wei)。
以下是一個(ge)簡單的設(she)備認證代碼示例（基于 Python 和(he)假設(she)的服務(wu)器與設(she)備通信(xin)模型(xing)）：
4.3 PUF 在設備認證中的應用
4.3.1 基于 PUF 的認證流程
設(she)備注(zhu)冊：在(zai)設(she)備出廠前(qian)或(huo)首次接入系統時(shi)，設(she)備將其 PUF 響(xiang)應(ying)信(xin)息(xi)發送給服務(wu)器進(jin)行注(zhu)冊。服務(wu)器對設(she)備的 PUF 響(xiang)應(ying)進(jin)行存儲和管理，并為設(she)備分配一(yi)個唯一(yi)的標識。
認證(zheng)請(qing)求：當設(she)備需要(yao)與系統中的其他設(she)備或服務器進行通信時(shi)，會(hui)向對方發送認證(zheng)請(qing)求，同(tong)時(shi)附上自(zi)己的 PUF 響應。
響(xiang)應比對：接收方（服務器或(huo)其他設(she)備）將接收到(dao)的(de) PUF 響(xiang)應與(yu)預先(xian)存儲的(de)該設(she)備的(de) PUF 響(xiang)應進(jin)行(xing)比對。如果(guo)(guo)比對結(jie)果(guo)(guo)一致，則(ze)認證通過，允許設(she)備進(jin)行(xing)后(hou)續操作；如果(guo)(guo)比對結(jie)果(guo)(guo)不一致，則(ze)認證失敗，拒絕設(she)備的(de)請(qing)求，并可能采(cai)取(qu)相應的(de)安全(quan)措施，如記(ji)錄攻擊日志、發出警報等。
4.3.2 強 PUF 在設備認證中的優勢：
強 PUF 對(dui)設備(bei)認(ren)(ren)證(zheng)(zheng)(zheng)使用(yong)經典(dian)的(de)(de)(de)激(ji)勵(li) - 響應模式，無需復雜的(de)(de)(de)多輪非線(xian)性運算，直接通過(guo)電路產生響應，然后與服務器預先(xian)存儲的(de)(de)(de)響應進(jin)行(xing)(xing)比較(jiao)，從(cong)而對(dui)設備(bei)進(jin)行(xing)(xing)合法性認(ren)(ren)證(zheng)(zheng)(zheng)。相比傳統的(de)(de)(de)用(yong)于認(ren)(ren)證(zheng)(zheng)(zheng)的(de)(de)(de)加解密技術，強 PUF 速度更快、功(gong)耗(hao)更小，特別適(shi)用(yong)于輕(qing)量級認(ren)(ren)證(zheng)(zheng)(zheng)場景。在物聯(lian)網環境(jing)中(zhong)，大(da)(da)量的(de)(de)(de)嵌入式設備(bei)需要頻繁進(jin)行(xing)(xing)認(ren)(ren)證(zheng)(zheng)(zheng)，使用(yong)強 PUF 可以大(da)(da)大(da)(da)提高認(ren)(ren)證(zheng)(zheng)(zheng)效率，降低設備(bei)功(gong)耗(hao)，同(tong)時保(bao)證(zheng)(zheng)(zheng)認(ren)(ren)證(zheng)(zheng)(zheng)的(de)(de)(de)安全(quan)性。
4.4 實際案例分析：PUF 成功抵御克隆攻擊
某工(gong)業(ye)(ye)自動化企(qi)業(ye)(ye)在(zai)(zai)其(qi)(qi)生產的工(gong)業(ye)(ye)控(kong)制(zhi)器中采用(yong)了(le)基于 PUF 的安全(quan)認證機制(zhi)。該工(gong)業(ye)(ye)控(kong)制(zhi)器用(yong)于控(kong)制(zhi)生產線(xian)上的各種設(she)(she)備，對安全(quan)性要求極高。在(zai)(zai)使用(yong)過(guo)程中，企(qi)業(ye)(ye)發(fa)現有(you)不法(fa)分(fen)子試圖通過(guo)克隆(long)工(gong)業(ye)(ye)控(kong)制(zhi)器來(lai)干擾生產流程。由于工(gong)業(ye)(ye)控(kong)制(zhi)器集成了(le) PUF，克隆(long)設(she)(she)備在(zai)(zai)接(jie)(jie)入系(xi)統進(jin)行(xing)認證時，其(qi)(qi) PUF 響應與合法(fa)設(she)(she)備的響應存在(zai)(zai)明顯差異，系(xi)統立即檢(jian)測到了(le)克隆(long)設(she)(she)備的存在(zai)(zai)，并及時采取了(le)措施，如切斷克隆(long)設(she)(she)備的網絡連接(jie)(jie)、通知(zhi)安全(quan)管理人員等(deng)，成功阻止了(le)克隆(long)攻擊，保障了(le)生產線(xian)的正常(chang)運行(xing)。
通過對該案(an)例的分析可以(yi)看出，PUF 在實際應用中能夠有(you)效地抵御克隆(long)攻(gong)擊，為嵌入式設(she)備提供可靠的安(an)全防護。隨著 PUF 技術的不(bu)斷(duan)發展和完(wan)善，越(yue)來越(yue)多的企業開始(shi)將(jiang)其應用于關(guan)鍵設(she)備的安(an)全防護中，以(yi)應對日益嚴峻的克隆(long)攻(gong)擊威脅。
五、PUF 技術面臨的挑戰與解決方案
5.1 環境因素對 PUF 的影響
PUF 的(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應會(hui)(hui)(hui)受(shou)到環境(jing)因素的(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)，如溫度(du)、電壓(ya)、電磁干擾等。在(zai)不同的(de)(de)(de)溫度(du)和電壓(ya)條件下，芯片的(de)(de)(de)物理(li)特性(xing)可(ke)能會(hui)(hui)(hui)發(fa)生(sheng)變化(hua)，從而導致(zhi) PUF 的(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應產(chan)生(sheng)漂移，出現(xian)誤(wu)碼。例如，溫度(du)的(de)(de)(de)升高可(ke)能會(hui)(hui)(hui)使芯片內部晶體(ti)管的(de)(de)(de)參(can)數發(fa)生(sheng)變化(hua)，影響(xiang)(xiang)信號的(de)(de)(de)傳播延(yan)遲，導致(zhi)基于傳播時延(yan)的(de)(de)(de) PUF 響(xiang)(xiang)應發(fa)生(sheng)改變。這種環境(jing)因素引起的(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應變化(hua)可(ke)能會(hui)(hui)(hui)導致(zhi)在(zai)設備(bei)認證或密鑰生(sheng)成過程中出現(xian)錯誤(wu)，降(jiang)低 PUF 的(de)(de)(de)可(ke)靠性(xing)和安全性(xing)。
為了解決這一(yi)問題，研究人員提出了多種(zhong)解決方案(an)。一(yi)種(zhong)常用(yong)的方法(fa)是(shi)采(cai)用(yong)糾(jiu)(jiu)錯編(bian)(bian)碼(ma)技(ji)術(shu)，如 BCH 糾(jiu)(jiu)錯編(bian)(bian)碼(ma)。在 PUF 響應生成(cheng)后，對(dui)其進行(xing)糾(jiu)(jiu)錯編(bian)(bian)碼(ma)處理，當 PUF 響應受到環(huan)境因(yin)素(su)影響出現誤碼(ma)時，通過(guo)糾(jiu)(jiu)錯編(bian)(bian)碼(ma)可以糾(jiu)(jiu)正錯誤比特(te)，恢復正確的響應。另(ling)一(yi)種(zhong)方法(fa)是(shi)采(cai)用(yong)溫(wen)度補(bu)償(chang)和電壓(ya)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)，通過(guo)監測環(huan)境溫(wen)度
