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MS PUF:抗机器学习建模攻击的多维协同强PUF设计
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作者 左欣怡 马双宝 +3 位作者 李少青 王振宇 刘威 张洋 《计算机工程》 北大核心 2025年第8期62-73,共12页
物理不可克隆函数(PUF)在资源受限的信息安全领域起着至关重要的作用,然而广泛使用的仲裁器PUF(APUF)及其变体因结构简单和防御维度单一,面临机器学习建模攻击的威胁,同时具有高防御能力的PUF设计通常伴随着较高的硬件成本。为应对这些... 物理不可克隆函数(PUF)在资源受限的信息安全领域起着至关重要的作用,然而广泛使用的仲裁器PUF(APUF)及其变体因结构简单和防御维度单一,面临机器学习建模攻击的威胁,同时具有高防御能力的PUF设计通常伴随着较高的硬件成本。为应对这些挑战,提出一种新型的多维协同PUF(MS PUF)设计,旨在平衡强大的抗建模攻击能力和低硬件开销。该设计以APUF为基础,融合了弱PUF、线性反馈移位寄存器(LFSR)和多路复用器(MUX),通过异或操作混淆输入信号并动态控制MUX输出,增强了PUF响应的安全性和不可预测性。在此设计中,MUX的输出有两种选择:一是直接采用弱PUF序列,二是通过分组异或处理并采用由弱PUF初始化的LFSR生成的序列。此外,MS PUF通过引入逐层异或混淆机制,构筑了一个多层次、多维度的协同安全防御策略。实验结果表明,MS PUF在均匀性、唯一性和可靠性等关键性能指标上表现优异,且硬件开销低,在防御逻辑回归(LR)、支持向量机(SVM)、人工神经网络(ANN)、卷积神经网络(CNN)以及全连接长短时记忆(FC-LSTM)网络等多种机器学习建模攻击时,MS PUF的预测准确率均接近50%,展示了出色的防御能力。 展开更多
关键词 仲裁器物理不可克隆函数 机器学习建模攻击 硬件开销 多维协同PUF 逐层异或混淆机制
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基于人工神经网络特征向量提取的FF-APUF攻击方法 被引量:4
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作者 马雪娇 李刚 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第9期2498-2507,共10页
为评估物理不可克隆函数(PUF)的安全性,需针对不同的PUF结构设计相应的攻击方法。该文通过对强PUF电路结构和工作机理的研究,利用人工神经网络(ANN)提出一种针对触发器-仲裁器物理不可克隆函数(FFAPUF)的有效攻击方法。首先,根据FF-APU... 为评估物理不可克隆函数(PUF)的安全性,需针对不同的PUF结构设计相应的攻击方法。该文通过对强PUF电路结构和工作机理的研究,利用人工神经网络(ANN)提出一种针对触发器-仲裁器物理不可克隆函数(FFAPUF)的有效攻击方法。首先,根据FF-APUF电路结构,利用多维数组构建电路延时模型;然后,对FFAPUF的二进制激励进行邻位划分,将划分后的激励转换为十进制并表示为行向量,实现特征向量提取;最后,基于提取的特征向量利用ANN构建攻击模型并通过后向传播算法获得最优参数。实验结果表明,相同条件下攻击预测率均高于其他3种常用的机器学习方法,尤其当激励响应对(CRP)数量较少、激励位数较多时,优势更加明显。当激励位数为128、CRP个数为100和500时,平均攻击预测率分别提高36.0%和16.1%。此外,该方法具有良好的鲁棒性和可扩展性,不同噪声系数下攻击预测率与可靠性相差最大仅0.32%。 展开更多
关键词 物理不可克隆函数 触发器-仲裁器物理不可克隆函数 人工神经网络 特征向量提取
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轻量级可配置强物理不可克隆函数设计 被引量:4
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作者 侯申 李景龙 +2 位作者 刘海龙 李少青 郭阳 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第10期1627-1634,共8页
为了解决物理不可克隆函数(PUF)结构简单、容易遭受建模攻击等问题,提出一种基于动态线性反馈移位寄存器(LFSR)的强PUF抗攻击混淆设计.首先使用一个固定结构的LFSR作为伪随机数发生器,为混淆逻辑提供随机选择信号;然后使用一个内置多个... 为了解决物理不可克隆函数(PUF)结构简单、容易遭受建模攻击等问题,提出一种基于动态线性反馈移位寄存器(LFSR)的强PUF抗攻击混淆设计.首先使用一个固定结构的LFSR作为伪随机数发生器,为混淆逻辑提供随机选择信号;然后使用一个内置多个反馈多项式的动态LFSR作为混淆逻辑,对输入激励进行混淆;最后将混淆后的激励输入内嵌PUF电路,使攻击者无法获取内嵌PUF的真实激励,从而提高PUF的抗建模攻击能力.用Python和FPGA进行了仿真和数据收集,在收集到数据集上的实验表明,所提设计具有接近理想值的均匀性(49.8%)和唯一性(49.9%),保持了与经典强PUF相同的可靠性.该设计结构简单,硬件开销较低,能够抵抗多种主流机器学习和深度学习算法的建模攻击. 展开更多
关键词 物理不可克隆函数 仲裁器物理不可克隆函数 动态线性反馈移位寄存器 机器学习 建模攻击
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改进的仲裁器PUF设计与分析 被引量:10
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作者 张俊钦 谷大武 侯方勇 《计算机工程》 CAS CSCD 北大核心 2010年第3期249-250,253,共3页
介绍Daihyun等设计的仲裁器物理不可克隆函数(PUF)方案,指出其不足之处。在此基础上提出一种改进方案,设计并分析基于D触发器的仲裁器PUF,在FPGA平台上实现并测试该方案的性能。实验结果表明,改进方案在输出的0,1平衡性方面优于Daihyun... 介绍Daihyun等设计的仲裁器物理不可克隆函数(PUF)方案,指出其不足之处。在此基础上提出一种改进方案,设计并分析基于D触发器的仲裁器PUF,在FPGA平台上实现并测试该方案的性能。实验结果表明,改进方案在输出的0,1平衡性方面优于Daihyun的PUF方案。 展开更多
关键词 仲裁器物理不可克隆函数 现场可编程逻辑阵列 D触发器
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基于仲裁器PUF的SRAM FPGA防克隆技术设计与实现 被引量:1
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作者 丁浩 王建业 吕方旭 《半导体技术》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期273-277,共5页
为保护电子设备中使用的静态随机存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)内部电路设计不被窃取,设计了用于SRAM FPGA的防克隆电路。该电路利用FPGA制造过程中的随机误差,提取每块芯片独一无二的ID。在此ID的控制下,被保护电路只能在指定... 为保护电子设备中使用的静态随机存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)内部电路设计不被窃取,设计了用于SRAM FPGA的防克隆电路。该电路利用FPGA制造过程中的随机误差,提取每块芯片独一无二的ID。在此ID的控制下,被保护电路只能在指定的FPGA中正常运行,而在未指定的FPGA中运行时,无法产生正确的输出,从而达到防克隆目的。防克隆电路由使用仲裁器的物理不可克隆函数(PUF)、多数表决器、运算门阵列等三部分构成,其中仲裁器PUF电路用于提取ID,多数表决器起到提高输出稳定性的作用。最后在FPGA开发平台上证明了该电路的可行性。 展开更多
关键词 防克隆 现场可编程门阵列(FPGA) 仲裁器 物理不可克隆函数(PUF) 静态随机存储器(SRAM)
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