[論文レビュー] Very Low Cost Entropy Source Based on Chaotic Dynamics Retrofittable on Networked Devices to Prevent RNG Attacks

Mattia Fabbri, Sergio Callegari|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、標準マイコンのADCを用いたカオス的ダイナミクスに基づく、10ドル未満の安価で改造可能な真の乱数生成装置（TRNG）を提案している。フィードバックループの制御により、高エントロピー出力（32 kbit/s以上）を実現しており、内部ADCノイズとカオス的挙動を活用することで、最小限の後処理でNIST基準を満たすランダムネスを達成する。これは、レガシーネットワーキングデバイスを保護するのに最適である。

ABSTRACT

Good quality entropy sources are indispensable in most modern cryptographic protocols. Unfortunately, many currently deployed networked devices do not include them and may be vulnerable to Random Number Generator (RNG) attacks. Since most of these systems allow firmware upgrades and have serial communication facilities, the potential for retrofitting them with secure hardware-based entropy sources exists. To this aim, very low-cost, robust, easy to deploy solutions are required. Here, a retrofittable, sub 10$ entropy source based on chaotic dynamics is illustrated, capable of a 32 kbit/s rate or more and offering multiple serial communication options including USB, I2C, SPI or USART. Operation is based on a loop built around the Analog to Digital Converter (ADC) hosted on a standard microcontroller.

研究の動機と目的

• 低コストでレガシーなネットワーキングデバイスにハードウェアベースのエントロピー源が不足しているという深刻な課題に対処すること。
• 既存のファームウェアアップグレーダブルデバイスに互換性を持つリモート対応ソリューションを開発すること、特に真のRNGを搭載していないデバイスを対象とする。
• 広く入手可能なマイコン部品を用いて、最小限のコストで高エントロピー出力を達成すること。
• 直接的な電子的ノイズ増幅ではなく、カオス的ダイナミクスを活用することで、サイドチャネル攻撃や改ざん攻撃に対する耐性を高めること。
• 標準シリアルインターフェース（USB、I2C、SPI、USART）を介した現場での展開と統合を可能にすること。

提案手法

• マイコンのADCとDACを用いたフィードバックループを採用し、ADC出力を処理してフィードバックすることでカオス的挙動を生成する。
• 主なイノベーションは、上位ビットをマスクすることでADC分解能を意図的に劣化させ、システムの安定化を図り、ノイズによる不安定化を防ぐこと。
• フィードバック電圧 $V_B$ は、出力電圧 $V_{\text{out}}$ がADC入力範囲内に保たれ、オペアンプの飽和を避けるように設定される。
• 各サイクルでカオス信号がサンプリングされ、得られた $m$ 値をビット操作（例：$m \bmod 4$）によりランダムビットに変換する。
• マイコンの内部ADCとDACを直接利用するため、ハードウェア改造なしで市販部品との互換性を確保する。
• ボン・ネイマン補正や連続ビットのXOR処理などの後処理により、NIST統計的テストに完全に準拠する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準マイコンのADCにおけるカオス的ダイナミクスを活用して、カスタムハードウェアを用いずに高エントロピーのランダムビットを生成できるか？
• RQ2 ADCのノイズや非理想性を排除するのでなく、それらを活用して真のランダムネスを生成できるか？
• RQ3 市販部品と最小限の後処理のみで、どの程度のエントロピーとスループットが達成できるか？
• RQ4 このようなシステムを、ファームウェア再設計なしに、既存のネットワーキングデバイスに容易に組み込めるか？
• RQ5 ノイズベースの代替手法と比較して、サイドチャネル攻撃や改ざん攻撃に対する耐性はどの程度高いか？

主な発見

• PIC18F2550マイコンを用いたプロトタイプは、32 kbit/sを超えるエントロピー率を達成した。
• マージナルエントロピー解析による推定では、1ビットあたり0.99ビットを超えるエントロピーを達成した。
• XORによる連続ビット処理やボン・ネイマン補正などの最小限の後処理で、NIST SP 800-22の統計的テストに合格した。
• Linuxのエントロピー・ディスティラーは、生成装置の生出力を受け取った際に、すべてのNISTテストに合格した。
• ADC出力（$\hat{m}$）の高分解能観察により、システムの異常を検出可能であり、自己診断および改ざん検知機能をサポートする。
• USBインターフェースを内蔵した自己完結型ユニットのコストは10ドル未満であり、既存のマイコンを再利用すれば5ドル未満で実現可能である。