[发明专利]一种可重构并防窥探的光学PUF

说明书

本发明公开了一种可重构并防窥探的光学PUF，包括衬底、生长于衬底上的介质纳米颗粒层以及在介质纳米颗粒层中随机掺杂的不同粒径的金属纳米粒子；本发明采用在介质纳米粒子散射层中掺杂了不同粒径的金属纳米粒子，利用不同尺寸金属纳米粒子对光的吸收选择性，使得光学PUF对于入射激光的波长极其敏感；当正常操作使用特定波长激励时，光学PUF会产生强散射形成特定散斑图，用于身份认证；在使用特定波长以外的激光时，光学PUF中包含的金属纳米粒子会发生熔化，不可逆地损坏PUF的微观结构，从而对PUF的散斑响应产生显著影响；因此，本发明在获得物理不可克隆特性的同时，可以有效防止恶意窥探，并具有微观结构可重构的特性。

技术领域

本发明涉及基于PUF的安全领域，具体是指一种用于IP保护、系统认证、可信计算、秘钥生成等领域的可重构并防窥探光学PUF。

背景技术

近年来，银行卡、信用卡、身份证等信息外泄或遭黑客窃取、违法复制等事件频频发生、屡见不鲜，寻求保证身份信息不被克隆或冒用的方法成为人们关注的焦点。一些解决手段如EMV智能卡等使用了嵌入式芯片代替传统磁条来存储身份数据，但这种仍然基于数学方法，依然可以访问存储卡里的信息并对数据进行复制或模拟，无法保证信息的真正安全。此时物理不可克隆函数（以下简称PUF）为其提供一种新型解决途径。

PUF可广泛应用于身份认证、IP保护、秘钥生成等对安全要求极高的领域。主要分为电学PUF、光学PUF等。电学PUF特别是数字电路PUF，可通过标准工艺完全集成到嵌入式设备中，不需要特定的步骤或组件。但相较于光学PUF，更容易被攻击和篡改：1、电学PUF基本不具备数学不可克隆性。其中涂层PUF、SRAM PUF、触发器PUF和蝴蝶PUF，通过详尽的读出激励-响应对，可以很容易完成数学克隆；对于仲裁器PUF和一些环形振荡PUF，通过建模攻击可实现数学克隆。而光学PUF是至今为止唯一被证明具有数学不可克隆性的PUF。2、涂层PUF的激励太少（几十个），一个随机的激励将有一定的概率得到特定响应。其他的电学PUF输出仅为单个比特，一个随机的激励将有50%的可能性得到正确响应。因此电学PUF均不具有单向性。光学PUF中无序介质与激励光相互作用过程繁杂，无法得到特定的响应，是唯一有可能具有物理单向性的PUF方法。3、迄今只有光学PUF和涂层PUF是明确具有防篡改性，其他PUF是否能防篡改还不得而知。此外，光学PUF中无序介质的微观结构包含的信息量巨大，无法对其准确建模，微观结构上极小的改变会导致响应产生巨大改变，具有防篡改性，可同时作为认证和秘钥生成器，被称为“强PUF”，因此，光学PUF有着巨大的优势，是未来实现量子认证的最佳途径。

普通的光学PUF并不能防止盗窃者利用激光窥探得到PUF激励-响应对。Kursawe等人提出了可重构PUF，指对于一个PUF常规的激励-响应行为增加一个称为重构的操作。通过重构可以使得该PUF部分或者全部的激励-响应行为随机地、不可逆转地改变，形成一个全新的PUF，即对于随机结构进行物理上的重构。对于光学PUF 的重构Kursawe等人设计了一种简单的结构，采用包含随机分布光散射玻璃PUF粒子的聚合物，当强激光束照射光学介质时，将局域地熔化光学介质聚合物，使得光学散射粒子随机重新排列；短时间照射后撤走激光，结构冷却重新分布的粒子被冻结，从而形成全新的激励-响应行为。但该结构在敌方不采用强激光激发时就会失效，因此很难使敌人的窥探行为构成对光学PUF的重构行为，不能真正地实现防窥探光学PUF。

发明内容

本发明的目的是提供一种可重构并防窥探的光学PUF，该光学PUF可实现可重构和防窥探功能；基于金属纳米粒子的结构，在正常操作条件下，采用特殊选择波长的激光进行激励辐照时，不改变PUF的内部构造，可以产生稳定的散斑图形；在非正常操作条件下，如敌方偷取PUF并采用激光进行窥探时，对于特殊波长以外的波长，将会对PUF产生不可逆的破坏，从而制止敌方获得PUF的内部信息。

本发明提的技术方案如下：