Generator ciągów losowych wykorzystujący stany metastabilne zaimplementowany w układzie FPGA firmy Xilinx

• Autorzy: Kubczak P. , Jessa M. , Matuszewski Ł.

Warianty tytułu

EN

A true random number generator exploiting metastability implemented in Xilinx FPGA

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W wysokiej klasy systemach bezpieczeństwa informacji klucze kryptograficzne nie powinny być generowane na zewnątrz systemu, a klucze prywatne, w przeciwieństwie do publicznych, nigdy nie powinny opuścić systemu. Jeśli system bezpieczeństwa jest realizowany w jednym układzie scalonym, klucze powinny być generowane w tym samym układzie. Realizacja generatorów liczb losowych w cyfrowych układach reprogramowalnych jest więc istotnym zagadnieniem. W artykule przedstawiono nową metodę wytwarzania ciągów losowych, opartą o zjawisko metastabilności występujące w układach cyfrowych oraz uwagi na temat sensowności wykorzystania tego fizycznego efektu występującego we współczesnych, powszechnie dostępnych układach cyfrowych.

EN

The security of cryptographic systems relates mainly to the protection of confidential keys. In high-end information security systems, cryptographic keys should never be generated outside the system and private keys should never leave the system. For the same reason, if the security system is implemented in a single chip (cryptographic system on chip), the keys should be generated inside the same chip. Implementation of random number generators in logic devices, including configurable logic devices, is therefore an important issue. In this paper, we present a new method of generating random digits based on a physical phenomenon occurring in digital circuits. Thus, the proposed generator can be implemented in different Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) with other elements of the cryptographic system. If the underlying physical process cannot be controlled, the generator output is unpredictable and/or uncontrollable. The statistical characteristics of TRNGs are closely related to the quality of the entropy source, but also to the randomness extraction method. The statistical quality of the generator was verified with the use of NIST statistical test suite. A discussion of the utility of metastable states for producing random numbers with metastable states in commercially available FPGAs is also presented.

Słowa kluczowe

PL

metastabilność; generatory ciągów losowych; układy programowalne; kryptografia

EN

metastability; random number generators; field programmable; gate arrays; cryptography

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 60, nr 7
• Strony: 450--452
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Kubczak P.

• Politechnika Poznańska, Wydział Elektroniki i Telekomunikacji, ul. Polanka 3, 60-965 Poznań

autor

Jessa M.

• Politechnika Poznańska, Wydział Elektroniki i Telekomunikacji, ul. Polanka 3, 60-965 Poznań

autor

Matuszewski Ł.

• Politechnika Poznańska, Wydział Elektroniki i Telekomunikacji, ul. Polanka 3, 60-965 Poznań

Bibliografia

• [1] Vassilev A. Hall T. A.: The importance of entropy to information security, Computer, February 2014, s. 78-81.
• [2] Golić J. D.: New methods for digital generation and postproccessing of random data, IEEE Trans., Computers., vol. 55, No 10, 2006, pp. 1217-1229.
• [3] Dichtl M. and Golić J. D.: Hight speed true random number generation with logic gates only, Proc., Workshop Cryptograph. Hardware Embeded. Syst. CHES'2007, LNCS 4727, pp. 45-62, 2007.
• [4] www.xilinx.com
• [5] Rukhin A., Soto J., Nechvatal J., Smid M., Baker E., Leigh S., Levenson M., Vangel M., Banks D., Heckert A., Dray J., VO S.: A statistical test suite for random and pseudorandom number generators for cryptographic applications, NIST special publication 800-22, National Institute of Standards and Technology, 2001, USA, Available at: http://csrc.nist.gov/rng
• [6] QuickLogic Corp., Metastability report for FPGAs, Appl Note, 1997.
• [7] Xilinx Corp., Metastable recovery, Appl Note XAPP 094, 1997.
• [8] Lattice Semiconductor Corp., ispLSI/GAL Metastability Report, 1999.
• [9] Kalisz J., Z. Jachna.: Metastability tests of flip-flops in programmable digital circuits, Microelectronics Journal, Vol. 37, Issue 2, February 2006, pp. 174–180.
• [10] Danger J. L., Guilley S., P. Hoogvorst.: Fast true random generator in FPGAs, Proc. NEWCAS’07, 2007, pp. 506–509.
• [11] Lozach F., Ben-Romdhame M., Graba T., Danger J-L.: FPGA Design of an Open-Loop True Random Number Generator, Proc. DSD 2013, pp. 615-622.
• [12] Wieczorek P. Z, Golofit K.: Dual-Metastability Time-Competitive True Random Number Generator. IEEE Trans. on Circuits and Systems 61-I(1), Feb. 2014, pp. 134-145.
• [13] Majzoobi M., Koushanfar F., Devadas S.: FPGA-based True Random Number Generation Using Circuit Metastability with Adaptive Feedback Control, CHES 2011, pp. 17-32
• [14] Lee D., Seo H., Kim H.: Metastability-based Feedback Method for Enhancing FPGA-based TRNG, International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering; 2014, Vol. 9 Issue 3, p. 235-248.