嵌(qian)入式系統硬件安(an)全：物(wu)理不可克(ke)隆功能（PUF）密(mi)鑰生成與防側信道(dao)攻擊(ji)設計
時間：2025-05-20 來(lai)源：華清遠見
引言
隨著(zhu)物聯(lian)網(wang)（IoT）、智(zhi)能設備和工業控(kong)制系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)普及，嵌(qian)入(ru)式(shi)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)安全(quan)(quan)性(xing)成為關乎(hu)數據隱(yin)私(si)和系(xi)統(tong)可靠性(xing)的(de)(de)(de)核(he)心問題。傳統(tong)的(de)(de)(de)軟件加密(mi)(mi)方案已無法完(wan)全(quan)(quan)應對硬件層面的(de)(de)(de)威脅，例如密(mi)(mi)鑰泄露、芯片克(ke)隆(long)和側(ce)信道(dao)攻擊(ji)（Side-Channel Attacks, SCA）。在(zai)此背景下(xia)，物理不可克(ke)隆(long)功能（Physical Unclonable Function, PUF）與(yu)防側(ce)信道(dao)攻擊(ji)設計的(de)(de)(de)結合，為嵌(qian)入(ru)式(shi)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)硬件安全(quan)(quan)提(ti)供了突破性(xing)的(de)(de)(de)解決方案。本(ben)文將探討PUF的(de)(de)(de)密(mi)(mi)鑰生成機(ji)制及其在(zai)抵御(yu)側(ce)信道(dao)攻擊(ji)中的(de)(de)(de)關鍵作用。
一、PUF：硬件安全的“數字指紋”
1. 什么是PUF？
PUF是一種基于物理硬(ying)件固有隨(sui)(sui)機性(xing)的(de)(de)技(ji)術，能夠利用制(zhi)造過程中微米/納米級工藝(yi)偏差（如晶(jing)體管閾(yu)值電壓、導線延(yan)遲等(deng)）生成唯一的(de)(de)、不(bu)可復(fu)制(zhi)的(de)(de)響(xiang)應信號(hao)。這種隨(sui)(sui)機性(xing)使得每(mei)個(ge)芯片的(de)(de)PUF特性(xing)如同(tong)“指紋”，即(ji)使同(tong)一批次的(de)(de)芯片也無法被(bei)克隆(long)。
2. PUF的密鑰生成優勢
· 無需存(cun)(cun)(cun)儲(chu)密(mi)鑰：傳(chuan)統密(mi)鑰需要存(cun)(cun)(cun)儲(chu)在非易失性存(cun)(cun)(cun)儲(chu)器（如Flash或(huo)OTP）中，存(cun)(cun)(cun)在被物理提取(qu)的風險。而(er)PUF僅(jin)在需要時(shi)動(dong)態生成密(mi)鑰，密(mi)鑰不存(cun)(cun)(cun)儲(chu)，大幅降低泄露可能性。
· 抗物理攻(gong)擊：攻(gong)擊者即使(shi)拆解芯片，也無(wu)法通(tong)過逆(ni)向工程(cheng)復制PUF的物理結(jie)構。
· 輕量化：適(shi)合資源(yuan)受限的嵌入式設備，無需額外安全元件。
3. PUF的典型應用場景
· 設(she)備身份(fen)認證：為每個設(she)備生成唯(wei)一ID，防止偽(wei)造。
· 安全密鑰(yao)派生：用于加密通信(xin)、固件(jian)簽(qian)名(ming)等場景。
· 芯片防偽(wei)：在(zai)供(gong)應鏈中驗證(zheng)芯片真偽(wei)。
二、側信道攻擊：硬件安全的隱形威脅
側信道(dao)攻擊通過分析設(she)備的物理泄露(lu)信息（如功耗、電磁輻射、時(shi)序、聲(sheng)音等(deng)）推(tui)斷密(mi)鑰或敏(min)感數據(ju)。例(li)如：
· 差分功耗分析（DPA）：通過測量加密(mi)操(cao)作時(shi)的(de)功耗變化破解(jie)密(mi)鑰。
· 電磁分析（EMA）：捕捉芯片運行時的電磁輻射信號進行逆向(xiang)工程。
傳統防(fang)御方法的局(ju)限
· 算(suan)法(fa)加固(gu)（如AES掩碼技術）復雜度高(gao)，增加計算(suan)開(kai)銷(xiao)。
· 隨機延遲插入可能被統計(ji)方法破解。
三、PUF與防側信道攻擊的協同設計
1. PUF的動(dong)態密鑰(yao)生成抵御物理攻擊
由于(yu)PUF生成的密鑰僅在(zai)運行時存在(zai)，攻(gong)擊者無法通(tong)過物理探(tan)測或逆向工程(cheng)獲取(qu)靜態存儲的密鑰。即使(shi)攻(gong)擊者嘗試多次讀取(qu)PUF響應(ying)，工藝(yi)偏差導(dao)致(zhi)的噪聲也(ye)會(hui)使(shi)結果不一致(zhi)，增加(jia)破解難(nan)度。
2. 防側信(xin)道(dao)攻擊的(de)硬件級(ji)防護(hu)
結合PUF的密(mi)鑰生(sheng)成(cheng)機制(zhi)，可通過以下設計抵(di)御側信道攻(gong)擊：
· 功耗(hao)平衡技(ji)術(shu)： 在加密操(cao)作中引入(ru)冗余(yu)電路(lu)，平衡不同操(cao)作（如0和(he)1的位翻轉）的功耗(hao)差異，使DPA攻擊失(shi)效。
· 時(shi)(shi)序(xu)隨(sui)機(ji)化(hua)： 通過隨(sui)機(ji)插入時(shi)(shi)鐘延遲(chi)或操作順序(xu)，打亂側信道攻擊所(suo)需的時(shi)(shi)序(xu)相關性。
· 噪聲注入： 在敏感操作期間疊(die)加(jia)偽隨機(ji)噪聲，干擾電磁和功耗信號的可(ke)分析(xi)性(xing)。
· 屏(ping)蔽（Shielding）與隔離： 對關鍵電(dian)路進行物理屏(ping)蔽，減(jian)少電(dian)磁輻射泄露。
3. 案例(li)：PUF+防SCA的嵌入式安全(quan)芯片
以某款(kuan)物聯網安全芯片(pian)為例(li)，其采(cai)用(yong)SRAM PUF生成根密鑰，并通過(guo)以下(xia)設計實現端(duan)到端(duan)防(fang)護：
1. 啟(qi)動階段(duan)：PUF根據SRAM上電狀態的隨機性生成(cheng)唯一密鑰(yao)。
2. 加密(mi)操作(zuo)：使用動(dong)態(tai)掩碼技術對AES引(yin)擎的中間(jian)值進行混(hun)淆。
3. 物理層防護：集成片(pian)上電(dian)磁(ci)干擾模塊，主動擾亂外部探測。
四、挑戰與未來方向
盡管PUF與防(fang)側(ce)信道設計(ji)的結合顯著(zhu)提升(sheng)了安全性，仍需解決以下(xia)問題(ti)：
·; 環境敏感性：溫度(du)、電壓波動可(ke)能影(ying)響PUF響應穩定性，需通過(guo)糾(jiu)錯碼(ma)（如BCH碼(ma)）或后處理算(suan)法(fa)補償。
· 成本與性能平衡：安全增(zeng)(zeng)強可能增(zeng)(zeng)加芯片面積和功耗，需優化設計以適應(ying)低端設備(bei)。
· 新(xin)型攻擊的應對：如深度(du)學習輔助的側(ce)信道分析，要求防(fang)護技術(shu)持續(xu)迭代。
未來(lai)，隨著量子計(ji)算和AI技(ji)術的發展(zhan)，硬(ying)件安全(quan)設計(ji)將更注重**“物理(li)+算法(fa)”雙引擎防御**，而PUF作為(wei)硬(ying)件信任根的核心(xin)地(di)位將愈(yu)發重要(yao)。
結語
在萬(wan)物互聯的(de)(de)時代，嵌入式系統的(de)(de)硬件安全(quan)已從“可(ke)選(xuan)功能(neng)”變為“必備(bei)基礎”。PUF與防側(ce)信道攻擊設(she)計的(de)(de)深度融合，不僅為設(she)備(bei)提供(gong)了“天生(sheng)免疫”的(de)(de)安全(quan)基因，也為構建端(duan)到端(duan)的(de)(de)可(ke)信計算(suan)環(huan)境奠(dian)定了基石。開發者需在芯(xin)片(pian)設(she)計階段即引入這些技(ji)術，方能(neng)在攻防博弈中(zhong)占據先(xian)機。
