Implementace a analýza TERO TRNG na FPGA

Abstract

Práce se zabývá generátory skutečně náhodných čísel (TRNG), konkrétně variantou TERO, kde se jedná o kruhový oscilátor s dočasnou oscilací. Nejdříve jsou popsány obecné principy, různé typy generátorů nebo způsoby vyhodnocování, a posléze detailní popis TERO. Jedna z možností návrhu je následně implementována pro FPGA Arty A7 v jazyce VHDL a podrobena komplexní analýze. Práce se věnuje analýze naměřeného signálu pomocí osciloskopu, statistických vlastností návrhu nebo počtu oscilací. Z vyhodnocených dat vyplývají zajímavé vlastnosti, které by generující jádro mělo splňovat aby dosáhlo dobré entropie, a tedy bezpečnosti celého systému. Propustnost implementovaného návrhu může být více než 1 Mbit/s. Praktická část práce může dále sloužit jako robustní platforma pro budoucí zkoumání.

The work focuses on true random number generators (TRNGs), namely the TERO variant, a temporarily oscillating ring oscillator. First, the work introduces general concepts, other common number generators, or evaluation methods. Then, the TERO core is described in detail, and one possible approach is realized on an Arty A7 FPGA. The implementation is thoroughly analyzed using multiple methods, including analog signal capture or statistical evaluation of the circuit properties and the oscillations. The evaluated data show interesting properties that should be met by the design to allow good entropy and, consequently, the overall security of the whole system. The throughput of the design can be greater than 1 Mbit/s. The practical part of the work can serve as a robust platform for future research.