[論文レビュー] Randomness Evaluation and Hardware Implementation of Nonadditive CA-Based Stream Cipher

Song-Ju Kim, Ken Umeno|ArXiv.org|Dec 10, 2004

Cellular Automata and Applications参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、NISTの統計的ランダムネステストを全数通過する非加法的細胞オートマトンに基づく擬似乱数生成装置（CA5-535945230）を提案し、高速ハードウェア暗号化を可能にする。FPGAに実装された本装置は、20,699ゲートで3.02 Gbpsの暗号化速度を達成し、リアルタイム動画暗号化システムへの適性を示している。

ABSTRACT

We shall review the cellular automaton(CA)-based pseudorandom-number generators (PRNGs), and show that one of these PRNGs can generate high-quality random numbers which can pass all of the statistical tests provided by the National Institute of Standards and Technology (NIST). A CA is suitable for hardware implementation. We demonstrate that the CA-based stream cipher, which is implemented in the field-programmable gate arrays (FPGA), has a high encryption speed in a real-time video encryption and decryption system.

研究の動機と目的

• 非加法的細胞オートマトンに基づく擬似乱数生成装置（PRNG）のランダムネス品質を、NIST統計的テスト・サブセットを用いて評価すること。
• 高速リアルタイム暗号化に最適化されたハードウェア実装を目的とした、非加法的CAルールを用いたストリーム暗号の設計。
• 従来のCAベースのストリーム暗号におけるセキュリティ脆弱性を解消するため、非連続なセルサンプリング手法を導入すること。
• FPGA上でのCAベースPRNGの高性能ハードウェア実装を、リアルタイム動画暗号化および復号化の事例を通じて実証すること。

提案手法

• 本稿では、パrameterを補正したNIST統計的テスト・サブセットを用いて、ECA30およびその5近傍拡張（ルール535945230）をPRNGとして評価する。
• 非連続なセルサンプリング戦略を適用する——例えば、1, 7, 14, 22, 31, 41, ..., 976といった増加する間隔でセルを選択することで、ルール30の更新関数に基づく鍵回収攻撃を防止する。
• 各時刻ステップで11セル分のローテーションシフトを適用し、出力と内部状態との関係をさらに曇らせる。
• Virtex-IIデバイスを用いたFPGA上に、CAベースPRNGを実装し、ゲート数を低減し、クロック周波数を高めるためにカスタムコアを設計した。
• DDR-SDRAM評価ボードを用いて、40ビット幅のデータパスとLVDSシグナリングを用いて、リアルタイム動画暗号化および復号化を実証した。
• システムサイズは1000セルを採用し、ゲート数、最大クロック周波数、Gbps単位の暗号化速度の観点から性能を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非加法的細胞オートマトンルール、特にECA30およびその5近傍拡張（ルール535945230）は、NIST統計的テストの全テストを通過する擬似乱数列を生成できるか？

主な発見

• CA5-535945230ルールは、暗号的セキュリティにおいて重要な線形複雑度テストを含む、NIST統計的テストの全16テストを通過した。
• 提案されたサンプリング手法を用いたECA30ルールは、1つの非オーバーラップテンプレートマッチングテストを除き、全NISTテストを通過した。これは、非常に優れたランダムネス品質を示している。
• FPGA上に実装されたCA5-535945230は、最大クロック周波数75.55 MHz、暗号化速度3.02 Gbps、ゲート数20,699を達成した。
• ECA30ベースの実装は、105.83 MHzで4.23 Gbpsの速度を達成したが、CA5-535945230に比べてセキュリティとランダムネス品質が低いことが判明した。
• サンプリング手法により、ルール30の更新式に基づく鍵回収攻撃が効果的に防止された。非連続な出力からでは、内部状態を再構築できないからである。
• 実験ボードでは27 MHzのクロックにより1 Gbpsの暗号化速度が達成された。これは、システムサイズおよびクロック周波数に比例してスケーラブルであることを確認した。