Chapter 2Design of TRNGsGeneral str

Chapter 2
Design of TRNGs
General structure of a TRNG is depicted in Figure 2.1. The generator should use an
uncontrollable physical process as a source of randomness. Since physical phenomena
used in TRNGs are mostly analogue processes, some method enabling data conversion
from analogue to digital domain is usually necessary (e.g. analog to digital conversion
or other randomness extraction method).
The obtained digitized noise has often low entropy and/or bad statistical properties.
For this reason, some post-processing algorithm has to be used to enhance statistical
parameters of the output bit-stream. However, the TRNG output post-processing creates
a risk that it will mask some important fault of the generator. This masked fault
could remain undetected by standard statistical tests. The possibility to test the unprocessed
digitized noise is therefore recommended. The security of the generator can
be increased if the statistical tests are applied on the fly and if they are designed to suit
the generator’s principle and it’s weaknesses.





















 

















































 














Figure 2.1: TRNG general structure
True random number generators use various sources of randomness, and numerous
principles to employ it. We propose to evaluate the main TRNG principles using three
classes of characteristics: quality-related parameters, security-related parameters and
design-related parameters.
6
Quality-related parameters
• Source of randomness employed
• Method of randomness extraction used and entropy of the digital noise
• Post-processing method applied (optional)
• Output bit-rate and its stability
Security-related parameters
• Existence of a mathematical model
• Inner testability
• Security (robustness, resistance against attacks)
Design-related parameters
• Resource usage
• Power consumption
• Feasibility in logic devices or FPGAs
• Design automation
In order to evaluate existing generators as objectively as possible, we propose a set
numerical classifiers for most of the above-mentioned criteria. Level 3 of the classifier
will represent the best value of the evaluated criteria. On the other hand, level 0 will
eliminate the examined TRNG principle from cryptographic applications.
2.1 Sources of randomness in logic devices
Logic devices are aimed at the implementation of deterministic logic systems. Each
unpredictable behavior in such a system (caused by a metastability, clock jitter, radiation
errors, etc.) can have catastrophic consequences on the overall system behavior.
Although unpredictable events due to the physical nature of the underlying technology
are unavoidable, logic devices vendors tend to minimize them. The randomness extraction
methods employed thus have to be critically re-checked in time with the evolution
of the underlying technology. Logic devices mostly do not contain any analog blocks,
so the sources of randomness are related to the operation of logic gates. In general,
there are three phenomena and their combinations, which can be used: the variation of
the delay of logic gates, the analog behavior of logic gates between two logic levels
(e.g. metastability) and the thermal noise generated inside the device.
The instability of the delays of logic gates causes variations in the time of signal
propagation. This variation can be seen as a clock period instability (the jitter) in clock
generators containing delay elements assembled in a closed loop (ring oscillators). The
7

Kết quả (Việt) 1:

Chương 2Thiết kế của TRNGsCấu trúc chung của một TRNG được mô tả trong hình 2.1. Máy phát điện nên sử dụng mộtkhông thể kiểm soát quá trình vật lý như là một nguồn ngẫu nhiên. Kể từ khi hiện tượng vật lýđược sử dụng trong TRNGs là chủ yếu tương tự các quá trình, cho phép một số phương pháp chuyển đổi dữ liệutừ analogue để kỹ thuật số tên miền là thông thường cần thiết (ví dụ như analog để chuyển đổi kỹ thuật sốhoặc ngẫu nhiên khai thác phương pháp khác).Tiếng ồn thu được số hóa có entropy thường thấp và/hoặc thuộc tính thống kê xấu.Vì lý do này, một số thuật toán xử lý sau khi đã được sử dụng để nâng cao thống kêCác thông số của sản lượng bit-dòng. Tuy nhiên, TRNG ra chế biến tạo ramột nguy cơ rằng nó sẽ ẩn một số lỗi quan trọng của các máy phát điện. Lỗi này đeo mặt nạcó thể vẫn không bị phát hiện bằng bài kiểm tra tiêu chuẩn thống kê. Khả năng để kiểm tra các chưa qua chế biếnsố hóa tiếng ồn do đề nghị. Bảo mật của các máy phát điện có thểđược tăng lên nếu các bài kiểm tra thống kê được áp dụng trên bay và nếu chúng được thiết kế để phù hợp vớinguyên tắc của máy phát điện và điểm yếu của nó.




 



 


 















 





Hình 2.1: TRNG cấu trúc tổng quátMáy phát điện số ngẫu nhiên thực sự sử dụng nhiều nguồn khác nhau ngẫu nhiên, và rất nhiềunguyên tắc để sử dụng nó. Chúng tôi đề xuất để đánh giá các nguyên tắc chính TRNG sử dụng baCác lớp học đặc trưng: thông số liên quan đến chất lượng, thông số liên quan đến an ninh vàthông số liên quan đến thiết kế.6Thông số liên quan đến chất lượng• Nguồn ngẫu nhiên làm việc• Phương pháp ngẫu nhiên khai thác, sử dụng và dữ liệu ngẫu nhiên của tiếng ồn kỹ thuật số• Phương pháp xử lý sau khi được áp dụng (tùy chọn)• Tốc độ bit của sản lượng và ổn định của nóAn ninh liên quan đến các thông số• Sự tồn tại của một mô hình toán học• Bên trong testability• Bảo mật (mạnh mẽ, chống lại các cuộc tấn công)Thiết kế liên quan đến các thông số• Sử dụng tài nguyên• Công suất tiêu thụ• Tính khả thi trong thiết bị logic hoặc FPGAs• Thiết kế tự động hóaĐể đánh giá sẵn có máy phát điện là một cách khách quan nhất có thể, chúng tôi đề xuất một tập hợpsố máy phân loại hầu hết các tiêu chí nêu trên. Cấp 3 của loạisẽ đại diện cho giá trị tốt nhất của các tiêu chí đánh giá. Mặt khác, mức độ 0 sẽloại bỏ các nguyên tắc TRNG kiểm tra từ các ứng dụng mã hóa.2.1 nguồn ngẫu nhiên trong các thiết bị logicThiết bị logic là nhằm thực hiện xác định logic hệ thống. MỗiCác hành vi không thể đoán trước trong một hệ thống (gây ra bởi một metastability, jitter đồng hồ, bức xạlỗi, vv) có thể có hậu quả thảm khốc trên hành vi của hệ thống tổng thể.Mặc dù không thể dự đoán các sự kiện do tính chất vật lý của các công nghệ cơ bảnlà không thể tránh khỏi, logic các thiết bị nhà cung cấp có xu hướng giảm thiểu chúng. Khai thác ngẫu nhiênphương pháp làm việc như vậy có thể cực kỳ tái kiểm tra trong thời gian với sự tiến hóacông nghệ cơ bản. Logic thiết bị chủ yếu là không chứa bất kỳ các khối tương tự,Vì vậy các nguồn ngẫu nhiên có liên quan đến hoạt động của cổng logic. Nói chung,không có hiện tượng ba, sự kết hợp của họ, mà có thể được sử dụng: các biến thể củasự chậm trễ của logic gates, hành vi tương tự của logic cửa giữa hai mức logic(ví dụ như metastability) và tiếng ồn nhiệt được tạo ra bên trong thiết bị.Sự bất ổn định của sự chậm trễ của logic cửa gây ra các biến thể trong thời gian của tín hiệutuyên truyền. Biến thể này có thể được xem như là một đồng hồ thời gian bất ổn định (jitter) trong đồng hồMáy phát điện có sự chậm trễ thành phần lắp ráp tại một vòng khép kín (vòng tạo dao động). Các7

Kết quả (Việt) 2:

Chương 2
Thiết kế TRNGs
chung cấu trúc của một trng được mô tả trong hình 2.1. Các máy phát điện nên sử dụng một
quá trình vật lý không thể kiểm soát như là một nguồn của sự ngẫu nhiên. Vì các hiện tượng vật lý
được sử dụng trong TRNGs là quá trình chủ yếu là tương tự, một số phương pháp cho phép chuyển đổi dữ liệu
từ analog sang miền kỹ thuật số thường là cần thiết (ví dụ tương tự để chuyển đổi kỹ thuật số
hoặc phương pháp chiết xuất ngẫu nhiên khác).
Tiếng ồn số hóa thu được có entropy thường thấp và / hoặc xấu thống kê tài sản.
Vì lý do này, một số thuật toán xử lý bài phải được sử dụng để tăng cường thống kê
thông số của đầu ra chút dòng. Tuy nhiên, sản lượng trng sau xử lý tạo ra
một nguy cơ rằng nó sẽ mask một số lỗi quan trọng của máy phát điện. Lỗi đeo mặt nạ này
có thể vẫn không bị phát hiện bởi kiểm định thống kê tiêu chuẩn. Khả năng để kiểm tra chưa qua chế biến
do tiếng ồn số hóa được khuyến khích. Sự an toàn của các máy phát điện có thể
được tăng lên nếu các bài kiểm tra thống kê được áp dụng trên bay và nếu chúng được thiết kế để phù hợp với
nguyên tắc của máy phát điện và đó là điểm yếu.
?
?
???????????
?
??
?

?
?
?
?
??????
???? ?????
?
?
??
??????

?
?
???
?
?
?
?
? ??????
??
?
?
?
?
????????????
?
?
?

?????
?????????
?
?
??
??
??? ?
? ? ?
?
?
??????????
??
??
?????
?
?
Hình 2.1: trng cấu trúc chung
Đúng máy phát điện số ngẫu nhiên sử dụng các nguồn khác nhau của sự ngẫu nhiên, và rất nhiều
nguyên tắc để sử dụng nó. Chúng tôi đề xuất để đánh giá các nguyên tắc trng chính sử dụng ba
loại đặc điểm: các thông số chất lượng liên quan đến các thông số bảo mật liên quan và
. Các thông số thiết kế liên quan đến
6
thông số chất lượng liên quan đến
• Nguồn ngẫu nhiên sử dụng
• Phương pháp khai thác ngẫu nhiên được sử dụng và entropy của kỹ thuật số tiếng ồn
• phương pháp Post-chế biến áp dụng (tùy chọn)
• tốc độ bit đầu ra và tính ổn định của nó
thông số an ninh liên quan đến
• Sự tồn tại của một mô hình toán học
• Nội testability
• an ninh (độ mạnh, sức đề kháng chống lại các cuộc tấn công)
thiết kế liên quan đến các thông số
• sử dụng tài nguyên
• công suất tiêu thụ
• Tính khả thi trong các thiết bị logic hoặc FPGA
• thiết kế tự động hóa
để đánh giá phát hiện như một cách khách quan nhất, chúng tôi đề xuất một bộ
phân loại số cho hầu hết các tiêu chí nêu trên. Cấp 3 của phân loại
sẽ đại diện cho các giá trị tốt nhất trong những tiêu chí đánh giá. Mặt khác, mức 0 sẽ
loại bỏ các nguyên tắc trng kiểm tra từ các ứng dụng mật mã.
2.1 Nguồn ngẫu nhiên trong các thiết bị logic
các thiết bị logic là nhằm mục đích thực hiện các hệ thống logic xác định. Mỗi
hành vi không thể đoán trước trong một hệ thống như vậy (gây ra bởi một metastability, đồng hồ jitter, bức xạ
lỗi, vv) có thể có những hậu quả thảm khốc về hành vi hệ thống tổng thể.
Mặc dù sự kiện không thể đoán trước do tính chất vật lý của các công nghệ cơ bản
là không thể tránh khỏi, các nhà cung cấp các thiết bị logic có xu hướng giảm thiểu chúng. Việc khai thác ngẫu nhiên
các phương pháp làm việc như vậy phải được giới phê bình kiểm tra lại trong thời gian với sự phát triển
của công nghệ cơ bản. Các thiết bị logic chủ yếu là không chứa bất kỳ khối tương tự,
do đó, các nguồn của sự ngẫu nhiên có liên quan đến hoạt động của các cổng logic. Nói chung,
có ba hiện tượng và sự kết hợp của họ, có thể được sử dụng: biến thể của
sự chậm trễ của các cổng logic, các hành vi tương tự của các cổng logic giữa hai mức logic
(ví dụ như metastability) và tiếng ồn nhiệt sinh ra bên trong thiết bị.
Sự bất ổn của sự chậm trễ của các cổng logic gây ra các biến đổi trong thời gian của tín hiệu
tuyên truyền. Sự thay đổi này có thể được xem như là một sự bất ổn thời kỳ đồng hồ (jitter) trong đồng hồ
máy phát điện có chứa các yếu tố chậm trễ lắp ráp trong một vòng khép kín (tạo dao động vòng). các
7