BazTech - Yadda

1

A proposal of output speed multiplication technique for true random number generators based on ring oscillators

Matuszewski Ł., Kubczak P.

Measurement Automation Monitoring

|

2016

|

Vol. 62, No. 5

157--159

EN

Nowadays modern cryptographic systems require a tremendous amount of keys. Very fast random number generators (RNGs) are needed to produce those keys in the requested time, but what to do when a solution that is already in use reaches the maximum speed? The aim of the paper is to find the answer to this question. In addition, generated random numbers should not leave a cryptographic system, because according to the Kerckhoffs thesis, the security of the whole system should be based only on a key. The cryptographic system should be enclosed within a single chip. In order to check new ideas and prove them, there were used NIST 800-22 test suite and restarts mechanism. The basic concept of the generator built of ring oscillators is still the same; ring oscillators are combined by XOR gates tree. A single ring oscillator consists of inverter, latch and NAND. This kind of construction provides a tool to make synchronous start and stop of all oscillators and the restart mechanism technique is applied in this manner. The speed of generation was increased by using multiple parallel generator trees to generate instantly the whole n-bit word. The paper shows that reproduction of the base structure is not a simple method of increasing the speed of generator. Moreover, it is always important to carefully consider all new ideas, because even if the NIST statistical test suite is passed, there is a chance that the restart mechanism will show some correlations that can be used during attack on the system.

2

Digital random bit generators implemented in FPGAs offered by various manufacturers

Kubczak P., Matuszewski Ł., Jessa M., Łoza S.

Measurement Automation Monitoring

|

2015

|

Vol. 61, No. 7

293--295

EN

In cryptography, we require that a random sequence should have excellent statistical properties as well as non-deterministic character. Combining multiple independent sources of randomness using the modulo two operation, significantly improves the statistical properties of the generated sequences and also affects the accumulation of true randomness generated in the oscillator sources. This is a very promising method of producing random sequences. In this paper, we compare the implementations of the RO-based combined random generator in various FPGAs technologies offered by various manufactures (Xilinx, Altera, Lattice). In this research, we used a NIST 800-22 statistical test suite to assess the statistical properties. The results show that the method of producing strings with a combined generator is the method stable in terms of technology. The results are similar for implementation in all FPGA used in the experiment. So, the proposed generator can be implemented in various programmable structures together with other components of a cryptographic system.

3

A random number generator using ring oscillators and the Keccak as post-processing

Łoza S., Matuszewski Ł., Jessa M., Kubczak P.

Measurement Automation Monitoring

|

2015

|

Vol. 61, No. 7

290--292

EN

In cryptography, sequences of numbers with unpredictable elements are often required. Such sequences should pass all known statistical tests for random sequences. Because sequences produced in real circuits are biased, they do not pass many statistical tests, e.g., the distribution of numbers is not uniform. Such random number sequences should be subjected to a transformation called post-processing. In this paper, a true random number generator is considered. It uses ring oscillators and the Keccak hash function as post-processing. This paper presents only simulation conditions for this approach since the post-processing part was done using x86 architecture on a PC.

4

Wykorzystanie funkcji skrótu do poprawy właściwości statystycznych ciągu liczb losowych

Matuszewski Ł., Łoza Sz., Jessa M.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2014

|

R. 60, nr 7

456--458

PL

W pracy przedstawiono sposób wykorzystania funkcji skrótu, na przykładzie funkcji SHA-256 (ang. Secure Hash Algorithm), do poprawy właściwości statystycznych ciągów liczb losowych. W badaniach wykorzystano pakiet testów statystycznych NIST 800-22 do oceny właściwości wytwarzanego ciągu metodę restartów i test chi kwadrat, dzięki którym możliwe jest wykazanie, czy dany generator produkuje ciąg z przeważającymi elementami deterministycznymi czy niedeterministycznymi. Proponowany układ może być z powodzeniem zaimplementowany w każdym układzie FPGA (ang. Field Programmable Gate Array).

EN

Random sequences play a key role in many contemporary cryptographic systems. To increase the efficiency and robustness to attacks, it is recommended to integrate a source of random numbers with a cryptographic system using these numbers. Unfortunately, the list of non-deterministic physical phenomena available in digital circuits is rather short and practically includes jitter and metastable states. It is expected that the generator produces sequences that pass all known statistical tests and that the sequences are unpredictable and attack resistant. A generator that satisfies these expectations is named a true random number generator (TRNG). This paper presents a novel method for producing random bits with the use of jitter observed in ring oscillators. The method uses a Galois ring oscillator introduced recently and the hash function. To assess the quality of output sequences, the statistical test suite prepared by National Institute of Standards and Technology (NIST) and the restart mechanism were used. The proposed system can be implemented in any Field Programmable Gate Array (FPGA).

5

A digital true random number generator implemented in different Xilinx FPGAs

Matuszewski Ł., Jessa M.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2013

|

R. 59, nr 8

742--744

EN

In cryptography we often require sequences of numbers with unpredictable elements. Such sequences cannot be produced by purely deterministic systems. A novel method for producing true randomness and increasing the randomness of a combined TRNG using ring oscillators is described. In this paper we show that the proposed method provides similar results for generators implemented using different technologies offered by Xilinx. Thus, the proposed generator can be implemented in different FPGAs with other elements of a cryptographic system.

PL

W kryptografii często wymaga się ciągów liczb złożonych z nieprzewidywalnych elementów. Takie sekwencje nie mogą być wytwarzane w systemach czysto deterministycznych. Inżynierowie muszą opracować źródła losowości, których właściwości muszą być ocenione i potwierdzone przez niezależne badania, przynajmniej doświadczalnie. W artykule pokazano, że proponowana metoda wytwarzania losowości jest stabilna pod względem technologicznym. Uzyskano bardzo zbliżone rezultaty dla generatorów losowych zrealizowanych w strukturach FPGA (Field Programmable Gate Array) wykonanych w różnych technologiach jakie oferuje firma Xilinx. W żadnym przypadku nie korzystano z manualnego rozmieszczania elementów w matrycy FPGA, aby uzyskać lepsze rezultaty. Położenie poszczególnych składników zależało tylko od oprogramowania dostarczanego przez producenta. Zatem proponowany generator może być implementowany w różnych układach FPGA razem z innymi elementami systemu kryptograficznego.

6

Losowość generatora łączonego TRNG wykorzystujacego metodę z próbkowaniem wyjścia generatora pierścieniowego

Jessa M., Jaworski M.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2010

|

Vol. 51, nr 12

47-50

PL

Łączenie liczb losowych wytwarzanych przez wiele niezależnych generatorów może znacząco poprawić właściwości statystyczne ciągu wyjściowego. To stwierdzenie jest prawdziwe dla deterministycznych i niedeterministycznych źródeł ciągów losowych. W kryptografii użytkownik często potrzebuje ciągów o bardzo dobrych właściwościach statystycznych, lecz pochodzących z systemu niedeterministycznego. W pracy przedstawiamy wyniki testów statystycznych przeprowadzonych dla ciągów liczb wytwarzanych przez generator łączony. Proponujemy nową metodę odróżniania pseudolosowości i losowości dla ciągów wytwarzanych przez generator liczb prawdziwie losowych (TRNG). Generator ten wykorzystuje generatory pierścieniowe, których wyjścia są próbkowane przez sygnał innego generatora. Badany generator wykonano w układzie reprogramowalnym FPGA wytwarzanym przez firmę Xilinx.

EN

Combining random numbers produced by many independent generators can significantly improve the statistical properties of the output sequence. This statement is true for deterministic and non-deterministic sources of random numbers. In cryptography, a user often needs sequences with very good statistical properties but originating from a non-deterministic system. In this paper, we present the results of statistical tests performed for number sequences produced by a combined generator. We propose a new method for distinguishing pseudo and true randomness for sequences produced by a true random number generator (TRNG). The generator uses ring oscillators with outputs sampled by a signal of another clock. The combined TRNG was realized in a field programmable gate array (FPGA) produced by Xilinx.