ISOIEC 20897-22022 信息安全、网络安全和隐私保护.物理不可识别功能.第2部分试验和评估方法标准立项发展报告

信息安全、网络安全和隐私保护物理不可识别功能第2部分：试验和评估方法标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:Informationsecurity,cybersecurityandprivacyprotection—Physicallyunclonablefunctions—Part2:Testandevaluationmethods摘要随着物联网、移动终端和硬件安全模块等应用场景的快速普及，物理不可克隆功能（PhysicallyUnclonableFunction,PUF）作为一种基于芯片制造固有工艺偏差的新型硬件安全原语，正逐步成为硬件安全认证与密钥生成领域的关键技术。然而，PUF技术在标准化测试方法和安全性评估方面长期缺乏统一参照，导致各厂商的技术方案在可靠性与安全性指标上难以横向比对。本报告聚焦国际标准ISO/IEC20897-2:2022《信息安全、网络安全和隐私保护——物理不可识别功能——第2部分：试验和评估方法》，系统梳理了该标准的立项背景、制定过程、核心技术内容及试验评估框架，分析其在统一PUF性能测评基准、保障硬件安全等级评测一致性方面的重要作用。本报告还结合国内外PUF技术研究进展和标准化现状，提出该标准在全球推广应用中的关键挑战与后续发展方向，以期为相关科研人员、标准化工作者和技术管理者提供参考。关键词：物理不可克隆功能；信息安全；试验与评估；标准化；硬件安全；国际标准Keywords:PhysicalUnclonableFunction;InformationSecurity;TestandEvaluation;Standardization;HardwareSecurity;InternationalStandard1.引言1.1研究背景与意义随着集成电路设计和制造工艺的不断演进，硬件安全已经成为信息安全体系中不可忽视的基础环节。从智能卡、安全芯片到物联网终端设备，物理攻击手段如剖片攻击、侧信道分析、故障注入等日益复杂，传统以数字密钥存储为核心的防护机制面临严峻挑战。物理不可克隆功能（PUF）技术因其“免存储、不可克隆、即时生成”的独特优势，被广泛应用于设备身份认证、密钥生成与加密协议等安全场景，为底层硬件信任根的构建提供了全新路径。然而，PUF技术的工程化与产业化仍面临一个关键瓶颈——如何在统一技术框架下对各类PUF实现的性能（如唯一性、可靠性、随机性等）与安全性（抗建模攻击、抗物理攻击等）进行科学、可复现、可比较的评测？在大规模商用之前，若无统一标准，不同PUF方案难以在同一尺度下进行公平比较，将直接影响安全认证机构对产品安全等级的判定，进而制约PUF技术在关键基础设施和高安全敏感场景中的规模化部署。1.2PUF技术概述物理不可克隆功能是一种利用芯片制造过程中不可避免的物理微观差异（如栅极氧化层厚度波动、金属互连线宽度漂移、晶体管阈值电压随机偏差等）生成唯一且不可预测输出信号的硬件电路。PUF本质上是“物理随机源+响应生成机制”的融合体：当输入一个激励（Challenge）时，PUF电路利用其固有的物理随机特性产生一个对应的响应（Response），形成激励—响应对（Challenge-ResponsePair,CRP）。由于制造偏差是随机的、不可复制和不可预测的，即使攻击者拿到同一版图的芯片，也无法制造出一模一样的PUF。当前主流的PUF实现类型包括硅工艺型PUF（如基于静态随机存取存储器上电随机性的SRAMPUF、基于触发器亚稳态的ButterflyPUF）、延时型PUF（如仲裁器PUF、环形振荡器PUF）、存储型PUF（如基于电阻式随机存取存储器/磁性随机存取存储器等新型非易失存储器的PUF）以及量子PUF等新兴方向。不同类型的PUF在安全性、可靠性、能耗和面积开销上各有优劣，因此对评测方法和测试基准提出了差异化需求。1.3标准化需求的提出2018年前后，随着PUF技术从学术研究走向产业应用，关于PUF的标准化需求在多个国际标准化组织中被提出。业界普遍认识到，一个可广泛接受的PUF评测标准应当解决以下核心问题：-如何在统一条件下测量PUF的唯一性、可靠性和随机性；-如何定义和度量PUF抵抗机器学习建模攻击的能力；-如何对不同物理实现类型的PUF进行比较评估；-如何确保测试过程的公平性、可重复性和可复现性。这些问题的解决，需要在标准化层面形成统一的术语定义、测试方法和评估指标框架，最终催生了ISO/IEC20897系列标准的制定计划。2.标准制定背景与过程2.1标准立项历程ISO/IEC20897系列标准的制定始于国际标准化组织/国际电工委员会第一联合技术委员会/信息安全、网络安全和隐私保护分技术委员会（ISO/IECJTC1/SC27）框架下的专项工作。作为信息安全领域最活跃的国际标准化组织之一，JTC1/SC27长期致力于信息安全管理的标准化工作，其下设的工作组（WG3，即安全评估、测试与规格化工作组）负责安全评估相关的标准研制。在2015至2017年期间，多个国家成员体在JTC1/SC27会议上提交了关于PUF标准化需求的工作提案，建议开展PUF领域的方法论标准化工作。经过多轮研究和讨论，JTC1/SC27于2017年正式立项PUF标准化项目，计划制定ISO/IEC20897系列标准，涵盖PUF术语定义、安全要求和试验评估方法等多个方面。ISO/IEC20897-1:2020《信息安全、网络安全和隐私保护——物理不可识别功能——第1部分：安全要求》于2020年正式发布，主要规定了PUF的安全属性定义和设计要求，为第2部分的试验与评估方法提供了框架性指引。在完成第1部分的安全要求制定后，JTC1/SC27/WG3继续推进第2部分的制定工作，具体由PUF标准编写专家组负责，多国专家参与起草和评审，历经多轮工作草案/委员会草案/国际标准草案阶段的意见征询和修改完善，最终于2022年5月25日正式发布ISO/IEC20897-2:2022。2.2参与起草单位ISO/IEC20897-2:2022的制定汇聚了全球多个国家的专家力量，主要参与国家成员体包括德国、中国、日本、韩国、美国、英国等。其中，德国联邦信息安全办公室和弗劳恩霍夫应用研究促进协会在PUF安全评估方法论方面贡献了关键技术框架；日本国立研究开发法人产业技术综合研究所和东京大学在PUF测试基准方面提出了重要建议；中国电子技术标准化研究院及国内相关科研机构全程深度参与了标准讨论，在PUF可靠性评估和统计分析方法方面提出了建设性意见。该标准凝聚了学术界与产业界的共同智慧，涵盖硅验证数据、安全分析方法和测试实践经验等多维度的输入。2.3标准制定的关键技术难点在标准制定过程中，起草专家组面临了多方面的技术挑战和需权衡的矛盾：（1）指标体系的复杂性。PUF作为多维度的安全原语，其评测需涵盖安全性、可靠性、唯一性、随机性、不可预测性等多个维度，如何设计一套协调一致、可操作、可量化的指标体系是起草过程中的首要挑战。（2）测试条件的统一性。不同实验室所采用的测试环境、设备、样本数量和统计方法存在差异，如何制定不受环境温度、电压变化及测试设备影响的测试条件和评测规程，确保测试结果的跨实验室可比性，是另一个棘手问题。标准最终引入了归一化处理和置信区间要求来缓解这一问题。（3）抗建模攻击评估的可行性。机器学习建模攻击是PUF面临的最主要威胁之一。然而，不同机器学习算法（从逻辑回归到深度神经网络）的攻击效果差异巨大，如何设计一种不偏袒特定攻击方法、又具有实际操作性的安全性评估方案，是标准起草中最困难的部分。经过多轮技术讨论，标准最终采用了基于信息论度量与标准机器学习攻击基准相结合的评估框架，要求评估者针对被测PUF选择并执行多种代表性攻击算法，取最优攻击效果作为安全性指标下限。（4）技术中立性。由于PUF实现方案多样（硅PUF、光学PUF、量子PUF等），标准需要保持技术中立，既不能偏袒某一类实现，又要确保测试方法的适用性。专家组最终选择了面向任何PUF器件的通用评估框架策略，保证了标准的长期适用性和技术前瞻性。3.标准主要内容解析3.1适用范围与定位ISO/IEC20897-2:2022在ISO/IEC20897-1:2020确立的安全要求和术语体系基础上，重点规定了PUF试验和评估的通用方法。该标准适用于各类PUF实现的安全特性测评，旨在为PUF设计者、制造商、第三方评估实验室和安全认证机构提供一套统一的、可重复的、可比较的测试方法和评估准则。该标准在ISO/IEC20897系列中的定位是方法论支撑层面的核心技术规范，它不限定具体的PUF电路实现方式，而是从评测方法论角度建立通用框架。同时，该标准也与ISO/IEC15408（信息技术安全评估准则，即CC标准）紧密衔接，为PUF产品的安全认证提供了技术支撑。3.2标准框架与核心评估体系标准正文主要包括以下核心技术章节：（一）规范性引用与术语定义。统一引用了ISO/IEC20897-1中确立的核心术语体系，包括PUF、激励、响应、CRP、可靠性、唯一性等关键概念，确保系列标准之间的术语一致性和语义精确性。（二）评估参数与测试要求。标准定义了PUF评估的关键指标体系，主要包括：-唯一性（Uniqueness）：衡量不同PUF实例之间响应差异程度的指标，反映PUF响应的个体辨识能力。标准规定了基于汉明距离的量化计算方法及采样规模要求。-可靠性（Reliability）：衡量同一PUF实例在不同环境条件下（温度变化、电压波动、老化等）响应稳定性的指标。标准规定了可靠性测试的环境条件和重复测试次数要求。-随机性（Randomness）：衡量PUF响应比特序列是否满足均匀分布和统计独立性要求的指标。标准推荐采用NISTSP800-22等统计测试套件进行评估。-不可预测性（Unpredictability）：衡量攻击者在部分掌握CRP信息情况下无法预测未知响应的能力。标准引入了基于信息论度量的不可预测性评估方法。（三）测试环境与条件规范化。标准对测试所需的设备、环境条件、样本容量和统计置信度提出了明确要求，特别规定了测试样本量应满足统计学置信度要求，确保测试结果的统计学意义。测试装置应具备可控的温度与电压调节能力，测试环境的校准应遵循可追溯的计量标准。同时，标准要求评估报告应记录完整的测试配置信息，以保证测试的可重复性。（四）安全性评估方法。标准重点规定了以下安全性评估维度：-抗建模攻击评估：明确要求评估者采用多种标准机器学习攻击算法（包括逻辑回归、支持向量机、随机森林、多层感知机等）对PUF进行建模攻击测试，预测精度达到预设阈值则判定为不安全，要求评估报告披露全部攻击配置和参数。-抗物理攻击评估：涵盖侧信道分析（功耗分析和电磁辐射分析等）和故障注入攻击的测试方法，给出了推荐的攻击实施流程和检测指标。-统计安全性分析：引导评估者通过偏差测试、相关性和互信息分析等手段，评估CRP输出之间的统计关联，探测潜在的信息泄露路径。（五）评估报告与等级评定。标准规定了评估报告的格式和内容要求，涵盖测试环境描述、样本信息、测试过程记录、数据分析和结论等关键要素。同时，标准为PUF的安全性能分级评测提供了指南性框架，为后续安全认证决策提供了依据。3.3与其他标准的关系ISO/IEC20897-2:2022在PUF标准体系中承上启下，与多个国际标准形成互补关系：-与ISO/IEC20897-1:2020的关系：第1部分从安全属性角度定义了PUF的安全要求，第2部分则从测评方法论角度提供实现这些要求的验证手段，两者共同构成完整的PUF安全标准体系。-与ISO/IEC15408（CC）的关系：ISO/IEC20897-2提供的测试方法可直接为CC框架下PUF产品的安全评估提供技术支撑，评估结果可作为CC评估中的技术证据。-与NISTSP800-22等统计测试标准的衔接：在随机性测试环节，标准直接引用了国际通用的统计测试工具，保证了测试的权威性和可操作性。3.4标准的应用场景ISO/IEC20897-2:2022的典型应用场景包括：-PUF产品研发阶段的内部评测：芯片设计企业可在流片验证阶段按照标准要求自测PUF性能指标，为设计迭代提供量化依据。-第三方安全评估实验室的检测依据：独立测试实验室可依据该标准为PUF产品出具安全性能检测报告。-安全认证与合规性判定：认证机构及行业监管方可引用该标准对PUF产品的安全性进行分级认定，支撑等保合规和安全审查。例如，在金融IC卡芯片、物联网安全模组等产品的安全认证中，可将ISO/IEC20897-2的评测结果作为安全等级判定的技术依据。4.主要参与单位介绍中国电子技术标准化研究院中国电子技术标准化研究院是ISO/IEC20897-2:2022制定过程中国内的核心技术支撑单位。该研究院是工业和信息化部直属的事业单位，也是国家集成电路标准化技术委员会秘书处单位，长期从事电子信息领域的标准化研究工作。在ISO/IEC20897系列标准的国际研讨和起草过程中，中国电子技术标准化研究院组织国内PUF技术团队和产业力量，系统梳理了我国在硬件安全芯片和可信计算领域的标准化实践与测试经验，通过国家成员体渠道向JTC1/SC27提交了多项关于PUF可靠性评估方法的技术提案和修改意见。该研究院在PUF可靠性试验设计和统计分析方面提出的意见和建议被标准采纳，有效提升了标准在工程实践中的可操作性。此外，该研究院还承担了该标准在国内的转化和推广工作，牵头推动等同采用该标准为国家标准，并组织国内相关企事业单位开展标准宣贯、应用试点和符合性验证工作，为PUF技术在国内的产业化应用提供了标准化支撑。德国联邦信息安全办公室德国联邦信息安全办公室是德国负责信息安全领域的最高联邦机构，隶属于德国内政部，在ISO/IEC20897-2:2022的制定过程中发挥了关键的引领作用。该机构基于其在硬件安全评估领域丰富的实践经验，主导了标准中安全性评估框架和抗建模攻击评估方法的整体架构设计。德国联邦信息安全办公室提出的多维度安全评估模型以及攻击算法的标准化评测流程，被标准采纳为核心方法论。该机构代表了德国在硬件安全测评技术领域的国际领先水平，其研究成果和工程经验为该标准的权威性和实用性提供了坚实保障。5.标准实施现状与影响分析5.1国际应用情况ISO/IEC20897-2:2022发布以来，已被多个国家和地区的标准化组织和安全认证机构所关注和采纳。在欧洲，部分安全芯片厂商已将ISO/IEC20897-2作为其PUFIP核的内部测试规范参考，用于产品研发阶段的安全性能验证。在日本和韩国，多家半导体企业将该标准作为PUF产品对标测试的依据。与此同时，国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC27也已启动后续PUF系列标准的研制工作，包括物联网场景中PUF应用指南和PUF安全认证框架等方向。5.2国内实施推进在国内，全国网络安全标准化技术委员会已启动对应国家标准《信息安全技术物理不可克隆功能第2部分：试验和评估方法》的研制计划，拟等同采用ISO/IEC20897-2:2022。与此同时，国内相关行业协会和检测机构已着手建设符合该标准要求的PUF测试验证环境，为后续PUF产品的标准化检测和认证工作奠定基础。5.3产业影响随着ISO/IEC20897-2:2022的发布，PUF产业将迎来以下深刻变革：-技术研发更加有的放矢。标准为PUF研究者和设计者提供了清晰的量化指标和评测方法，缩短了技术验证和迭代周期，降低了研发成本。-产业链协作更加顺畅。统一评测方法打通了从IP供应、芯片设计、制造封测到系统集成的多环节评估链路，为PUF技术的规模化部署扫清了评测基准障碍，PUFIP供应商、芯片设计公司和系统厂商之间的合作对接效率将显著提升。-市场竞争更加透明有序。统一的评测报告格式和性能指标使得不同PUF方案之间的比较更加直观公正，有助于良性的技术竞争和产业优胜劣汰。对最终的PUF产品用户（如信息安全设备制造商）而言，该标准提供了明确的产品选型和安全验收依据，降低了因评测标准不一导致的质量和安全风险。6.结论与展望ISO/IEC20897-2:2022作为全球首个专门针对物理不