Geri Dön

Metastability tabanli trng devresi̇ni̇n FPGA tasarimi ve uzay radyasyonu altindaki̇ see testi̇

Metastability based trng design on FPGA and see test under space radiation

PDF İndir

  1. Tez No: 969403
  2. Yazar: ÖZGÜR OZAN YILMAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN, PROF. DR. MELAHAT BİLGE DEMİRKÖZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bilişim teknolojilerinin günlük yaşamın bir parçası olmasını sağlayan teknolojilerden biri de kriptografik yöntemlerin elektronik cihazlarda doğru şekilde gerçeklenebilmesindendir. Kripto algoritmalarında özellikle güvenli anahtar üretimi temel güvenlik ihtiyacıdır. Elektronik cihazlar üzerinde anahtar üretimi rastgele sayı üreteçleri yardımıyla yapılır ve bu rastgele sayıların tahmin edilemez olması önemlidir. Sayının tahmin edilemez olması sayının üretiminde kullanılan sinyallerin deterministik olmayan bir fiziksel sistemden elde edilmesini gerekli kılmaktadır. Bu fiziksel sistem genel olarak entropi kaynağı olarak adlandırılır. Güvenlik ihtiyaçları ile artan işlem yükünün ve ihtiyaç duyulan işlem hızının karşılanması, elektronik cihazların tasarımında Sahada Programlanabilir Kapı Dizilerini (FPGA) ASIC teknolojisinin bir alternatifi haline getirmiştir. FPGA içerisindeki mantıksal donanım blokları kullanılarak bir entropi kaynağı tasarlanabilir. Literatürde bilinen FPGA tabanlı entropi kaynağı devreleri saat işaretinin seğirme etkisini ve yarı kararlılık durumunu temel alan yöntemlere dayanmaktadır. Kriptografi tasarımlarında rastgele sayı üretimi Gerçek Rastgele Sayı Üreteci (True Random Number Generator - TRNG) blokları ile yapılabilmektedir. Bir TRNG'de aranan en önemli özellik ürettiği sayının tahmin edilemez olmasıdır. Bu belirsizliğin bir metriği olmadığı için TRNG'nin kalitesi istatistiksel yöntemler ile ölçülür. Bu yöntemler National Institude of Standards and Technology (NIST) ve AIS-31 gibi istatistiksel testlerdir. Entropi kaynakları kullanılacağı ortama bağlı olarak farklı davranabilmektedir. Uzay ortamındaki bir uydu haberleşmesi sisteminde kullanılacak TRNG devresi, uzaydaki radyasyon ortamından kaynaklanan Tekil Olay Etkileri (SEE) ve Toplam İyonlaştırıcı Doz (TID) etkilerine maruz kalmaktadır. FPGA'ler üzerindeki Tekil Olay Etkileri ve Toplam İyonlaştırıcı Doz etkileri literatürde incelenmiştir. Bu konuyla ilgili Tekil Olay Etkileri ve Toplam İyonlaştırıcı Doz etkilerinin gözlemlenebilmesi için uzay araçları üzerinde test-analiz çalışmaları yapılmaktadır. Uzaydan alınan verilerin şifrelenerek gönderilmesi gereken durumlarda üzerinde TRNG içeren FPGA devrelerinin Tekil Olay Etkileri ve Toplam İyonlaştırıcı Doz etkisi altındaki davranışı haberleşmenin güvenliğinden emin olmak için araştırılması gerekmektedir. Bu çalışmada FPGA üzerinde fiziksel gürültü kaynağı olarak yarı kararlılık durumunu kullanan bir TRNG devresi gerçeklenmiştir. TRNG devresinin ürettiği yüksek hızlı rastgele sayıların depolanması için FPGA üzerinde veri aktarım devreleri tasarlanmıştır. TRNG devresinin performansının ölçülebilmesi için NIST ve AIS-31 yazılımlarının kullanıldığı test mimarisi FPGA üzerinde tasarlanmıştır. Uygulanan istatisiksel testlerde TRNG devresi tüm testleri başarıyla geçmiştir. Tasarlanan TRNG devresinde kaynak kullanımının azaltılmasına yönelik optimizasyonlar uygulanarak entropi kaynağına ilişkin devre optimize edilmiştir. TRNG devresinin tasarımında çevrimiçi testlerin uygulanabilmesi için gömülü Federal Information Processing Standard Publication (FIPS) testleri FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. TRNG devresinin entropi kaynağı devresinde yapılan optimizasyonların sonuçları bu test devreleri sayesinde hızlıca analiz edilebilmiştir. TRNG devresinin entropi kaynağında kullanılan saat kaynağı modülünün yetenekelerinin keşfedilmesi için benzetim ve masaüstü testler yapılmıştır. Saat kaynağının TRNG devresi tasarımlarında verimli kullanımı için çıkarımlar yapılmıştır. TRNG devresinin entropi kaynağı lietratürdeki tasarımlarla karşılaştırıldığı zaman ileri işleme devreleri kullanılmadığı durumlar dahil daha yüksek entropi üretmiştir. TRNG tasarımlarında kullanılan istatistiksel testler genellikle TRNG devresinin çıkışındaki rastgele sayıların kaliesini ölçmektedir. Fakat bu tez çalışmasında kullanılan AIS-31 testiyle TRNG devresinin entropi kaynağının ham rastgele çıkışının entropisi analiz edilmiştir. TRNG devresine Digital Signal Processing (DSP) tabanlı ileri işleme devreleri eklenerek rastgele sayı çıkışının istatistiksel performansı arttırılmıştır. Tasarlanan TRNG devresinin uzay ortamındaki davranışlarının gözlemlenebilmesi için Orta Doğu Teknik Üniversitesi Saçılmalı Demet Hattı (ODTÜ-SDH) laboratuvarında Tekil Olay Etkileri testleri yapılmıştır. Uzay uygulamalarında kullanılacak FPGA tasarımlarının gereksinimleri araştırılarak Tekil Olay Etkileri ve Toplam İyonlaştırıcı Doz etkilerinin sayısal devrelerdeki etkileri incelenmiştir. FPGA üzerinde Tekil Olay Etkileri karşı hataya dayaıklı devre sentezi üzerine araştırmalar yapılmıştır. Bu kapsamda TRNG devresinin gerçeklendiği donanımlar Tekil Olay Etkileri karşı dayanıklı hale getirilerek TRNG'nin güvenilirliği sağlanmıştır. ODTÜ-SDH laboratuvarında yapılan Tekil Olay Etkileri test sonuçları TRNG devresinin entropi kaynağı özelinde analiz edilmiştir. Entropi kaynağının radyasyon testinde ulaşılan belirli proton akışındaki istatistiksel performansı, ESCC (European Space Components Coordination) 25100 standardında uygun olarak Tekil Olay Etkileri testinde incelenmiştir. Tekil Olay Etkileri testlerinde entropy verileri seri haberleşme modülleriyle dışarıya aktarılmıştır. FPGA üzerinde imğlement edilen seri haberleşme modülleri Triple Modular Redundancy (TMR) tekniğiyle hataya dayanıklı hale getirilmiştir. TMR tekniği sadece entropi kaynağı devresinde kullanılmamıştır. Tekil Olay Etkileri testinde entropy kaynağının ürettiği rastgele sayılar üzerinde istatistiksel analizler yapılmıştır. Entropi değeri Toplam İyonlaştırıcı Doz ve Tekil Olay Etkileri altında kararsız hale gelmiştir. Entropi kaynağı devresi 3 adet Tekil Olay Etkileri hatasıyla karşılaşmıştır. Bu hataların ilk iki tanesinde entropi kaynağının rastgele sayı üretimi durmuştur. Diğer Tekil Olay Etkileri hatasında ethernet veri aktarımı kesilmiştir. Hataya dayanıklı entropi kaynağının analiz edilmesi için ikinci bir Tekil Olay Etkileri testi uygulanmıştır. Bu testte entropy kaynağı devresi hataya dayanıklı hale getirilmiştir. Ek olarak SEU cross-section hesaplaması için test devreleri gerçeklenmiştir. Bu testte hataya dayanıklı entropi kaynağı ve önceki testte kullanılan entropi kaynağı devresinin entropileri karşılaştırılmıştır. SEU cross-section hesaplaması yapılarak test devresinin hata analizi yapılmıştır.

Özet (Çeviri)

One of the technologies that ensures the integration of information technology into daily life is the proper implementation of cryptographic methods on electronic devices. In cryptographic algorithms, especially the secure generation of keys, is a fundamental security requirement. On electronic devices, key generation is performed using random number generators, and it's crucial for these random numbers to be unpredictable. The unpredictability of the number requires the signals used in its generation to be obtained from a non-deterministic physical system. This physical system is generally referred to as an entropy source, which provides a source of randomness. The need to meet security requirements, along with the growing processing workload and the demand for processing speed, has made Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) an alternative to ASIC technology in the design of electronic devices. An entropy source can be designed using the logical hardware blocks within an FPGA. In the literature, known FPGA-based entropy source circuits rely on methods that are based on the jitter effect of the clock signal and metastability phenomena. In cryptography designs, random number generation can be achieved using True Random Number Generator (TRNG) blocks. The most crucial feature sought in a TRNG (True Random Number Generator) is the unpredictability of the generated numbers. As there is no definitive metric for this unpredictability, the quality of a TRNG is measured using statistical methods. These methods include statistical tests such as those defined by organizations like the National Institute of Standards and Technology (NIST) and AIS-31. Entropy sources can behave differently depending on the environment they are used in. A TRNG circuit intended for use in a satellite communication system in space, for example, is exposed to Single Event Effects (SEE) and Total Ionizing Dose (TID) effects caused by radiation in space. SEE and TID effects on FPGAs have been studied in the literature. Test and analysis studies are conducted on spacecraft to observe these effects. In cases where data from space needs to be encrypted and transmitted, investigating the behavior of FPGA circuits containing TRNGs under SEE and TID effects becomes essential to ensure the security of communication. In this study, a TRNG circuit utilizing metastability as a physical noise source on an FPGA has been implemented. Data transfer circuits have been designed on the FPGA to store the high-speed random numbers generated by the TRNG circuit. To measure the performance of the TRNG circuit, a test architecture using NIST and AIS-31 software has been designed on the FPGA. In the applied statistical tests, the TRNG circuit has successfully passed all tests. Optimization techniques have been applied to reduce resource usage in the designed TRNG circuit, optimizing the circuit related to the entropy source. In the design of the TRNG (True Random Number Generator) circuit, embedded Federal Information Processing Standard Publication (FIPS) tests have been implemented on an FPGA to enable online testing. The results of optimizations made in the entropy source circuit of the TRNG circuit could be quickly analyzed through these test circuits. Simulation and desktop tests were conducted to discover the capabilities of the clock source module used in the entropy source of the TRNG circuit. Inferences were drawn to ensure efficient utilization of the clock source in the TRNG circuit designs. When compared with the designs in the literature, the TRNG (True Random Number Generator) circuit has produced higher entropy, even in cases where advanced processing circuits were not utilized. Statistical tests commonly employed in TRNG designs usually measure the quality of the random numbers at the output of the TRNG circuit. However, in this thesis study, the entropy of the raw random output of the TRNG circuit's entropy source was analyzed using the AIS-31 test. By adding Digital Signal Processing (DSP)-based advanced processing circuits to the TRNG circuit, the statistical performance of the random number output has been enhanced. To observe the behaviors of the designed TRNG circuit in space environment, Single Event Effects (SEE) tests have been conducted at the Middle East Technical University Defocusing Beam Line (METU-DBL) laboratory. The requirements of FPGA designs for space applications have been investigated, and the effects of SEE and TID on digital circuits have been studied. Research has been conducted on fault-tolerant circuit synthesis against SEE effects on the FPGA. In this context, the hardware implementation of the TRNG circuit has been made resilient against SEE to ensure the reliability of the TRNG. The SEE test results conducted at the METU-DBL laboratory have been analyzed specifically with regard to the entropy source of the TRNG circuit. The statistical performance of a specific proton fluences in the radiation test of entropy source has been investigated according to the ESCC (European Space Components Coordination) 25100 standard in the Single Event Effects test. The entropy data in SEE tests has been exported using serial communication modules. The serial communication modules implemented on the FPGA have been made resilient to errors using the Triple Modular Redundancy (TMR) technique. The TMR technique has not only been used in the entropy source circuit. In the SEE test, statistical analyses were conducted on the random numbers generated by the entropy source. The entropy value became unstable under TID and SEE effects. The entropy source circuit encountered three SEE errors. In the first two errors, the generation of random numbers by the entropy source ceased. In the other SEE error, vethernet transmission was interrupted. To analyze the fault-tolerant entropy source, a second SEE test was applied. In this test, the entropy source circuit was made resilient to errors. In addition, test circuits were implemented for SEU (Single Event Upset) cross-section calculations. In this test, the entropies of the fault-tolerant entropy source and the entropy source circuit used in the previous test were compared. SEU cross-section calculations were performed to analyze the fault in the test circuit.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    688472

    Custom design of a fully digital true random number generator in 65-nm CMOS technology

    65-nm CMOS teknolojisinde tamamen dijital bir gerçek rastgele sayı üreticisinin özel tasarımı

    ERTUĞ EREM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYeditepe Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ÇİLİNGİROĞLU

  2. Tez No

    955907

    Digitally controllable metastability-based true random number generator

    Dijital kontrol edilebilir metastabiliti tabanlı gerçek rastgele sayı üreteci

    YASİN TALAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYeditepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ÇİLİNGİROĞLU

  3. Tez No

    379823

    Investigation of magneto-structural phase transitions in magnetic shape memory alloys

    Şekil hatırlama özelliği gösteren malzemelerde manyeto-yapısal faz geçişlerinin incelenmesi

    ASLI ÇAKIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK

    PROF. MEHMET ACET

  4. Tez No

    1002807

    Hydrate risk screening with CPA-based thermodynamics and surrogate models

    CPA tabanlı termodinamik ve vekil modeller ile hidrat risk taraması

    DEVRİM BAŞAR HAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT ÇINAR

  5. Tez No

    644352

    Studies on the design of robust and fully-digital random number generators

    Tamamen sayısal güvenli rastgele sayı üreteci tasarımı üzerine çalışmalar

    BURAK ACAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. TUFAN COŞKUN KARALAR

Geri Dön