物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）是一种新兴的硬件安全原语。当输入一个激励时,PUF利用芯片制造过程中难以预测的工艺偏差（Process Variation）,输出依赖于芯片的不可克隆的响应。因为不能在物理上访问PUF,因此难以预测它的响应（输出）。由于PUF具备高随机性、不可预测性以及物理不可克隆性,在轻量级密钥生成及设备认证中具有广泛的应用前景。但PUF容易受运行时温度、电压、老化等环境因素的影响,使其响应输出难以保持稳定,进而在认证时遭受误识别或者拒绝认证。此外,PUF的应用主要局限于密钥生成和设备认证,利用PUF的轻量级属性拓展其新的应用场景是当前的研究热点。本博士论文针对物理不可克隆函数设计的可靠性及轻量级应用展开深入研究,论文主要研究工作包括以下几个方面:（1）提出了一种基于频率偏移的环形振荡器的PUF（Ring Oscillator Physical Unclonable Functions,RO PUF）结构。RO PUF产生的响应作为设备ID或密钥,可替代传统的密钥存储技术,能有效抵御针对存储器的各类攻击,具有低代价、高安全的特点,因此适用于资源受限的物联网场景。但RO PUF难以在工作环境变化的情况下产生稳定的响应。为提升PUF可靠性、避免“硬件冗余”带来的高额开销,本文提出一种新颖的基于频率偏移的RO PUF结构。该结构通过频率补偿来扩大成对的ROs之间的频率差,使其大于设定的阈值,从而产生高可靠响应。Xilinx 65nm现场可编程门阵列（Field programmable gate array,FPGA）的原型实现表明,温度范围为45℃至95℃时,基于频率偏移的RO PUF结构具有100%的可靠性,且单比特开销低于现有技术。（2）提出了一种基于PUF和声纹的透明多因子身份认证机制（TMFA）。现有双因子身份认证（2FA）将智能设备用作第二认证因子,以提高传统“用户名+密钥”认证方式的安全性。然而,此策略要求用户与智能设备进行频繁交互,既增加用户的操作成本,也使得第二认证信息可被短信（SMS）与电话诈骗等手段获取。为解决上述问题,本文提出一种基于PUF和声纹的透明多因子认证机制。其核心思想是利用环境声纹信息判断“登陆终端”与“用户”是否处于同一环境,并利用PUF密钥对声纹信息加密。仅当设备中PUF响应与服务器预存数据一致时,声纹信息方可正确解密,并完成认证。由于PUF与声纹信息对用户完全透明,因此TMFA避免了繁琐的交互,提升了用户体验的满意度,降低了第二认证因子因诈骗而泄露的风险。实验表明:1)TMFA机制可有效识别用户与实际登陆设备是否处于同一环境:2)TMFA机制具有较低的使用成本,适用于商业级推广。（3）提出了一种基于PUF和云辅助的多跳体域网络轻量级认证机制。在医疗领域,无线人体区域网络（Wireless Body Area Network,WBAN）收集、传输人体数据,既帮助用户及时了解自身健康状态,也辅助医务人员诊断决策。若WBAN中节点遭受攻击,为医疗决策提供失实数据,则极大威胁用户身体健康。为确保医疗数据的安全、可靠,本文提出一种基于PUF和云辅助的多跳体域网络轻量级认证机制,并提供其形式化安全证明。该机制利用基于交叉环振荡器物理不可克隆函数（Crossover Ring Oscillator Physical Unclonable Function,CRO PUF）,在各节点设备间共享安全密钥,并在汇聚节点及其相邻节点之间部署云辅助技术,以降低CRP存储成本与功耗开销。实验表明,CRO PUF各项指标评估结果可满足认证机制需求;提出的网络拓扑结构可有效防止数据冲突。