[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出了一种基于混沌动力学、使用标准微控制器ADC的亚10美元可 retrofitted 真随机数生成器（TRNG），通过反馈回路调控实现高熵输出（超过32 kbit/s）。该方法利用ADC固有的噪声和混沌行为，在简单电路中实现，仅需极少后处理即可满足NIST随机性标准，非常适合用于保护遗留网络设备。

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.

研究动机与目标

• 解决低成本、遗留网络设备中缺乏基于硬件的熵源这一关键问题，这些设备易受RNG攻击。
• 开发一种与现有可固件升级设备兼容的 retrofitted 解决方案，尤其适用于那些不具备真随机数生成器的设备。
• 使用广泛可用的微控制器元器件，在极低成本下实现高熵率。
• 通过利用混沌动力学而非直接放大电子噪声，增强对侧信道攻击和篡改攻击的防护能力。
• 通过标准串行接口（USB、I2C、SPI、USART）实现现场部署和集成。

提出的方法

• 系统采用微控制器的ADC和DAC构成反馈回路，其中ADC输出经处理后反馈，以产生混沌行为。
• 关键创新在于通过屏蔽高阶位对ADC分辨率进行人为降级，从而稳定系统并防止噪声引起的不稳定性。
• 反馈电压 $V_B$ 被设定为确保输出电压 $V_{\text{out}}$ 保持在ADC输入范围内，避免运算放大器饱和。
• 在每个周期对混沌信号进行采样，所得 $m$ 值通过位操作（如 $m \bmod 4$）生成随机位。
• 系统利用微控制器内部的ADC和DAC，无需硬件修改，可与现成组件完全兼容。
• 通过后处理（如Von Neumann校正或连续位异或）确保完全符合NIST统计测试标准。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在标准微控制器的ADC中利用混沌动力学生成高熵随机位，而无需定制硬件？
• RQ2 如何利用ADC噪声和非理想性而非抑制它们，来生成真正的随机性？
• RQ3 仅使用现成元器件和极少后处理，可实现的熵和吞吐量水平如何？
• RQ4 此类系统能否以极低成本和无需固件重构的方式 retrofitted 到现有网络设备中？
• RQ5 与基于噪声的替代方案相比，该熵源对侧信道攻击和篡改攻击的鲁棒性如何？

主要发现

• 原型机使用PIC18F2550微控制器实现了超过32 kbit/s的熵率。
• 通过边际熵分析估算，输出熵每比特超过0.99比特。
• 经过极少后处理（如连续位异或或应用Von Neumann校正器）后，通过了NIST SP 800-22统计测试。
• 当将生成器的原始输出输入Linux熵提取器时，所有NIST测试均通过。
• 通过高分辨率观测ADC输出 ($\hat{m}$) 可检测系统异常，支持自诊断和防篡改功能。
• 具备USB接口的独立单元成本低于10美元，若复用现有微控制器则成本低于5美元。