ioPUF+：一种基于 I/O 上拉/下拉电阻的 PUF，用于物联网节点的密钥生成
摘要
本文提出了 ioPUF+，它包含一种新的物理不可克隆函数 (PUF)，用于为集成电路 (IC) 及其包含的物联网节点生成唯一指纹。该 PUF 通过测量 IC I/O 引脚上的上拉和下拉电阻值来生成设备特定的响应，这些电阻由于制造工艺变异在不同芯片间自然存在差异。由于这些电阻已集成在大多数 IC I/O 结构中，ioPUF+ 无需自定义电路，无需新的 IC 制造。这使得 ioPUF+ 适用于基于 Commercial Off-The-Shelf (COTS) 组件构建的成本敏感型嵌入式系统。除了引入新的 PUF 外，ioPUF+ 包括将原始 PUF 响应转换为 cryptographically 可用的 secret key 的完整数据通路，采用 BCH 纠错和 SHA-256 哈希。进一步地，ioPUF+ 还展示了一个实际用例，即在使用 AES 加密保护设备间通信中派生密钥。我们在 Infineon PSoC-5 微控制器上实现了 ioPUF+，并在 30 个设备上使用标准 PUF 指标进行评估。结果显示其在可靠性 (intra-device Hamming distance 为 100.00%)、唯一性 (inter-device Hamming distance 为 50.33%)、近理想均匀性 (50.54%) 以及可忽略的位别名方面表现优异。在温度和供电电压变化下的稳定性测试显示，最差情况下的位错误率仅为 2.63% 和 2.10%。我们还 profiled 了完整的 ioPUF+ 系统的资源和能耗，包括 PUF 基元、BCH 解码、SHA-256 哈希和 AES 加密。完整实现仅需 19.8 KB Flash 存储，延迟为 600 ms，功耗为 79 mW，展示了 ioPUF+ 适用于资源受限物联网节点的潜力。
引用
@article{arxiv.2511.18412,
title = {ioPUF+: A PUF Based on I/O Pull-Up/Down Resistors for Secret Key Generation in IoT Nodes},
author = {Dilli Babu Porlapothula and Pralay Chakrabarty and Ananya Lakshmi Ravi and Kurian Polachan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.18412},
year = {2025}
}
备注
Added the introduction figure in Section I, corrected typos and grammatical errors