随着集成电路技术的快速发展和生物识别技术的普遍使用,物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)的概念应运而生。作为一种新型的硬件安全原语,PUF具有高安全、轻量级和防篡改等良好特性,在信息安全领域具有广泛的应用前景。本文从基于环形振荡器的PUF(Ring Oscillator based PUF,ROPUF)的基本原理、实现方法等方面入手,深入研究了ROPUF性能优化的三个关键技术:随机性优化技术、可靠性增强技术和安全防护技术,以提高ROPUF的工作性能为主要目标展开研究,主要的研究成果如下:为提高ROPUF生成响应的随机性,设计了分区编码、链式编码和邻域编码三种比较策略。通过分析振荡频率平均值和均方差在RO阵列上的分布特性,以及环境因素改变时振荡频率的变化规律,为ROPUF比较策略设计提供了合理思路。从硬件资源利用率和信息熵密度两个方面对所设计的比较策略进行评估。实验结果表明,采用分区编码比较策略时,ROPUF具有显著的随机性优势。针对现有ROPUF结构存在的可靠性不高而导致实际应用时安全性较差的问题,提出了一种基于可配置RO技术的动态ROPUF结构。基于延迟参数和噪声变量建立了ROPUF的延迟模型,分析了影响可靠性的关键因素。根据延迟模型结论,设计了基于mesh拓扑结构的可配置RO单元MC-RO,通过配置状态信号可产生多种RO结构。以MC-RO为基础,提出了一种动态ROPUF结构。实验结果表明,本文设计的动态ROPUF的可靠性高达99.642%,在硬件资源利用率和安全性等方面具有显著优势。从PUF的自身安全性出发,提出了一种基于敏感度混淆机制的控制型PUF架构。根据布尔函数的Walsh谱理论推导了PUF激励响应间的相关性,提出了敏感度的概念。通过建立敏感度混淆模型,来分析不同混淆位置选择方案对PUF响应翻转概率的影响。并根据所归纳的混淆位置选取规则,设计了基于敏感度混淆机制的控制逻辑模块。采用NIST随机数测试程序和建模攻击方法,对控制型PUF、传统的ROPUF以及其他PUF设计进行测试评估。实验结果表明,控制型PUF架构具有较好的随机性,且能够有效增强PUF对建模攻击的防御能力。