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Publicação
True random number generator prototype implemented in an FPGA
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 2.15 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
The era of the Internet of Things (IoT) has brought a rapid growth of interconnected devices, which
has led to an exponential increase in data transmission. With this growth, it becomes increasingly
important to ensure the security and reliability of data exchanges between devices.
One solution to this problem is hardware-based cryptographic systems, in which their operation
is based on physical phenomena, such as True Random Generators (TRNGs), which can be used to
generate temporary passwords, or Physical Unclonable Functions (PUFs), which can act as unique
identifiers.
The main objective of this work is to study entropy sources based on ring oscillators, which
exploit the accumulation of jitter noise to produce randomness. To achieve this goal, a prototype
of a TRNG system was implemented on an FPGA platform, taking into account the minimization
of resource usage and passing the necessary statistical tests as the main goals of the project.
When compared with the state-of-the-art architectures, the developed prototype adds only a
small module using only inverter and XOR gates, allowing for a small architecture that uses less
than 100 Lookup Tables (LUTs) and passes all the NIST statistical tests with strong pass rates and
strong p-values, showing promise in future applications.
A era da Internet of Things (IoT) trouxe um rápido crescimento de dispositivos conectados entre si, o que levou a um aumento exponencial na transmissão de dados. Com este crescimento, torna-se cada vez mais importante garantir a segurança e confiabilidade das trocas de dados entre dispositivos. Uma solução para este problema são os sistemas criptográficos baseados em hardware, nos quais o seu funcionamento se baseia em fenómonos físicos, como os True Random Generators (TRNGs), que podem ser utilizados para a geração de passwords temporárias, ou as Physical Unclonable Function (PUF), que podem atuar como identificadores únicos. O principal objetivo deste trabalho é estudar fontes de entropia baseada em osciladores de anel, que exploram a acumulação de ruído de jitter para produzir aleatoriedade. Para atingir este objetivo, implementou-se um protótipo de um sistema TRNG em plataforma FPGA, tendo em conta a minimização da utilização de recursos e a passagem dos testes estatísticos necessários. Quando comparado com as arquiteturas de estado da arte, o protótipo desenvolvido adiciona apenas um pequeno módulo composto apenas por portas lógicas inversoras e XOR, permitindo uma arquitetura compacta que utiliza menos de 100 Lookup Tables (LUTs) e que passa todos os testes estatísticos do NIST com taxas de aprovação quase perfeitas com p-values fortes, mostrando promessa em futuras aplicações.
A era da Internet of Things (IoT) trouxe um rápido crescimento de dispositivos conectados entre si, o que levou a um aumento exponencial na transmissão de dados. Com este crescimento, torna-se cada vez mais importante garantir a segurança e confiabilidade das trocas de dados entre dispositivos. Uma solução para este problema são os sistemas criptográficos baseados em hardware, nos quais o seu funcionamento se baseia em fenómonos físicos, como os True Random Generators (TRNGs), que podem ser utilizados para a geração de passwords temporárias, ou as Physical Unclonable Function (PUF), que podem atuar como identificadores únicos. O principal objetivo deste trabalho é estudar fontes de entropia baseada em osciladores de anel, que exploram a acumulação de ruído de jitter para produzir aleatoriedade. Para atingir este objetivo, implementou-se um protótipo de um sistema TRNG em plataforma FPGA, tendo em conta a minimização da utilização de recursos e a passagem dos testes estatísticos necessários. Quando comparado com as arquiteturas de estado da arte, o protótipo desenvolvido adiciona apenas um pequeno módulo composto apenas por portas lógicas inversoras e XOR, permitindo uma arquitetura compacta que utiliza menos de 100 Lookup Tables (LUTs) e que passa todos os testes estatísticos do NIST com taxas de aprovação quase perfeitas com p-values fortes, mostrando promessa em futuras aplicações.
Descrição
Palavras-chave
Security Cryptography TRNG Entropy Oscillator