[논문 리뷰] The Arduino as a Hardware Random-Number Generator

Benedikt Kristinsson|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 16.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 통계적 테스트와 시드 복구 공격을 통해 아두이노 두에밀란وفي를 진정한 하드웨어 난수 생성기(TRNG)로 평가한다. 아두이노 매뉴얼에서 비연결된 아날로그 핀이 '상당히 난수적인' 값을 생성한다고 주장하지만, 이 연구는 노이즈가 매우 예측 가능하고 엔트로피가 극히 낮아 암호학적 사용에 부적합하다는 것을 입증한다. 저자들은 평균 2초 이내에 PRNG 시드를 복구할 수 있는 시드 찾기 프로그램을 구현하여 시스템이 암호학적으로 취약하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Cheap micro-controllers, such as the Arduino or other controllers based on the Atmel AVR CPUs are being deployed in a wide variety of projects, ranging from sensors networks to robotic submarines. In this paper, we investigate the feasibility of using the Arduino as a true random number generator (TRNG). The Arduino Reference Manual recommends using it to seed a pseudo random number generator (PRNG) due to its ability to read random atmospheric noise from its analog pins. This is an enticing application since true bits of entropy are hard to come by. Unfortunately, we show by statistical methods that the atmospheric noise of an Arduino is largely predictable in a variety of settings, and is thus a weak source of entropy. We explore various methods to extract true randomness from the micro-controller and conclude that it should not be used to produce randomness from its analog pins.

연구 동기 및 목표

• 아두이노 두에밀란وفي를 추가 하드웨어 없이 진정한 난수 생성기(TRNG)로 사용할 수 있는지 평가하는 것.
• 비연결된 아날로그 핀이 '상당히 난수적인' 값을 생성한다고 주장하는 아두이노 레퍼런스 매뉴얼의 주장을 도전하는 것.
• 아두이노에서 생성된 시퀀스의 난수성을 평가하기 위한 통계적 방법을 개발하고 테스트하는 것.
• avr-libc PRNG의 시드를 아날로그 읽기 값으로 초기화했을 때, 이를 효율적으로 복구할 수 있는 프로그램을 구축하는 것.
• 아두이노가 암호학적으로 안전한 난수의 일반적인 소스로 기능할 수 있는지 여부를 판단하는 것.

제안 방법

• 파이썬을 사용해 표준 통계적 테스트—단일비트 테스트, 포커 테스트, 연속성 테스트를 구현하여 아두이노 출력의 난수성을 평가한다.
• 비연결된 핀에서 아두이노 두에밀란وفي의 analogRead 기능으로부터 실측 데이터를 수집하여 출력 값의 확률 분포를 구축한다.
• avr-libc PRNG의 모든 가능한 analogRead 값(0–1023)을 시드로 반복적으로 테스트하는 시드 찾기 알고리즘을 설계하여, 시뮬레이션된 시퀀스 생성과 관측된 출력과의 일치 여부를 확인한다.
• 자주 관측된 analogRead 값부터 우선순위를 높여 시드 찾기 알고리즘을 최적화하여 효율성을 향상시켰다.
• 생성된 시퀀스를 효율적으로 비교하기 위해 이중방향 큐(deque)를 사용해 PRNG 출력의 슬라이딩 윈도우를 유지한다.
• 5,000개의 테스트 시퀀스를 사용해 성능을 평가하였으며, 수집된 데이터에서 무작위로 선택된 시드를 사용하여 평균 복구 시간을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아두이노 두에밀란وفي가 추가 하드웨어 없이 아날로그 핀만으로 암호학적으로 안전한 난수를 생성할 수 있는가?
• RQ2 비연결된 아날로그 핀의 analogRead 출력은 진정으로 난수적인가, 아니면 환경적 또는 하드웨어적 요인으로 인해 예측 가능한가?
• RQ3 아날로그 읽기 값으로 초기화된 avr-libc PRNG의 시드를 악성 공격자가 효율적으로 복구할 수 있는가?
• RQ4 아두이노에서 생성된 시퀀스의 통계적 행동이 표준 난수성 테스트를 통과하는가?
• RQ5 아두이노의 내장 구성 요소만으로도 일반적이고 저비용의 TRNG를 구축할 수 있는가?

주요 결과

• 비연결된 아두이노 핀에서의 analogRead 값은 난수적이지 않으며, 강한 예측 가능성과 낮은 엔트로피를 보이며 아두이노 매뉴얼의 주장과 정면으로 배치된다.
• 통계적 테스트에서 analogRead 값에서 생성된 모든 시퀀스가 비난수로 판정되어 낮은 난수 품질을 나타낸다.
• 시드 찾기 프로그램은 5,000개의 테스트 케이스 전부에서 PRNG 시드를 성공적으로 복구하였으며, 표준 데스크톱 컴퓨터에서 평균 복구 시간은 1.6초였다.
• 확률 분포에서 자주 관측된 analogRead 값부터 우선순위를 높임으로써 프로그램의 효율성이 크게 향상되었다.
• Twoleastsign-RAND 알고리즘이 생성한 시퀀스는 모든 통계적 테스트를 통과했지만, 특정 하드웨어에서만 성립하여 일반성 부족과 보편적 보안성 결여를 시사한다.
• 이 연구는 아두이노 두에밀란وفي가 부족하고 예측 가능한 엔트로피로 인해 암호학적 TRNG 응용에 적합하지 않다고 결론 내린다.