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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 홍종필
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 충북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
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CMOS 진성 난수 발생기의 경우 Clock Jitter, On chip noise 등 CMOS 상에 존재하는 무작위한 현상을 엔트로피 소스를 사용하며 별다른 입력을 필요로 하지 않고 주기성이 없으며 난수의 성질을 모두 만족하기 떄문에 보안 시스템에 적합하다. 하지만 대부분의 CMOS 진성 난수 발생기는 Process variation 등의 여러 이유로 출력에 편향과 상관관계가 발생하여 난수성이 떨어지며 이로 인해 난수 성능 검증 테스트인 NIST SP 800-22a를 통과하지 못한다. 따라서 대부분의 TRNG의 경우 후처리 기법을 사용해 이를 개선하여 난수성을 향상시킨다.
후처리 기법은 동작 방식에 따라 Discard 기법과 Cryptographic 기법으로 나뉜다. Discard 기법은 입력 난수열 대비 출력 난수열의 감소가 발생하며, 주로 간단한 구조로 이루어지기 떄문에 Cryptographic 기법과 비교하여 저전력, 저면적이지만 NIST 테스트를 통과할만큼 충분한 난수성 개선이 충분히 일어나지 않는다. 반면 Cryptographic 기법의 경우 복잡한 암호학적 알고리즘을 사용하기 때문에 NIST 테스트를 통과하는 반면 Discard 기법에 비해 면적이 크고, 전력 소모량이 높다.
본 논문에서 TRNG의 후처리 알고리즘으로 제안하는 PHOTON 경량 해시 알고리즘을 제안한다. PHOTON 경량 해시 알고리즘의 경우 흡수 과정과 압착 과정으로 나뉘며, 흡수 과정에서 여러 메시지 블록은 내부 상태와 XOR 연산 후 치환 함수를 통해 암호화 된다. 이후 압착 과정에서 16-bit씩 총 80 bit의 해시 값을 출력한다. 입력 난수열 대비 출력 난수열의 감소가 없고 암호화 과정에서 바이어스 및 상관관계가 제거되어 NIST 테스트를 통과할 만큼 난수성이 개선된다. 또한 NIST TEST를 통과하는 기존 Cryptographic 기반 후처리 방식 대비 가장 면적이 작으며 상대적으로 적은 전력 소모를 달성한다. 따라서 본 논문에선 PHOTON 경량 해시 알고리즘을 TRNG의 후처리 알고리즘으로 채택하여 PHOTON 후처리 기법을 적용한 경량 CMOS 진성 난수 발생기를 설계한다.
설계 후 측정 결과 비교군으로 설계된 경량 Cryptographic 기반 Enocoro 알고리즘을 적용한 CMOS 진성 난수 발생기 대비 PHOTON 후처리 기법을 적용한 경량 CMOS 진성 난수 발생기의 경우 14%의 면적 감소를 이뤄냈으며, 전력 소모량의 경우 3% 차이만 발생한다. NIST 테스트 결과 모든 NIST TEST 항목을 통과한다. 결론적으로 제안하는 PHOTON 해시 알고리즘을 TRNG의 후처리 알고리즘을 적용하여 면적이 작고 전력 소모가 적으며 출력 비트열의 감소가 발생하지 않는 경량 CMOS 진성 난수 발생기를 설계한 결과 충분한 난수성 개선이 발생하여 모든 NIST SP 800-22 테스트를 통과하였다.
후처리 기법은 동작 방식에 따라 Discard 기법과 Cryptographic 기법으로 나뉜다. Discard 기법은 입력 난수열 대비 출력 난수열의 감소가 발생하며, 주로 간단한 구조로 이루어지기 떄문에 Cryptographic 기법과 비교하여 저전력, 저면적이지만 NIST 테스트를 통과할만큼 충분한 난수성 개선이 충분히 일어나지 않는다. 반면 Cryptographic 기법의 경우 복잡한 암호학적 알고리즘을 사용하기 때문에 NIST 테스트를 통과하는 반면 Discard 기법에 비해 면적이 크고, 전력 소모량이 높다.
본 논문에서 TRNG의 후처리 알고리즘으로 제안하는 PHOTON 경량 해시 알고리즘을 제안한다. PHOTON 경량 해시 알고리즘의 경우 흡수 과정과 압착 과정으로 나뉘며, 흡수 과정에서 여러 메시지 블록은 내부 상태와 XOR 연산 후 치환 함수를 통해 암호화 된다. 이후 압착 과정에서 16-bit씩 총 80 bit의 해시 값을 출력한다. 입력 난수열 대비 출력 난수열의 감소가 없고 암호화 과정에서 바이어스 및 상관관계가 제거되어 NIST 테스트를 통과할 만큼 난수성이 개선된다. 또한 NIST TEST를 통과하는 기존 Cryptographic 기반 후처리 방식 대비 가장 면적이 작으며 상대적으로 적은 전력 소모를 달성한다. 따라서 본 논문에선 PHOTON 경량 해시 알고리즘을 TRNG의 후처리 알고리즘으로 채택하여 PHOTON 후처리 기법을 적용한 경량 CMOS 진성 난수 발생기를 설계한다.
설계 후 측정 결과 비교군으로 설계된 경량 Cryptographic 기반 Enocoro 알고리즘을 적용한 CMOS 진성 난수 발생기 대비 PHOTON 후처리 기법을 적용한 경량 CMOS 진성 난수 발생기의 경우 14%의 면적 감소를 이뤄냈으며, 전력 소모량의 경우 3% 차이만 발생한다. NIST 테스트 결과 모든 NIST TEST 항목을 통과한다. 결론적으로 제안하는 PHOTON 해시 알고리즘을 TRNG의 후처리 알고리즘을 적용하여 면적이 작고 전력 소모가 적으며 출력 비트열의 감소가 발생하지 않는 경량 CMOS 진성 난수 발생기를 설계한 결과 충분한 난수성 개선이 발생하여 모든 NIST SP 800-22 테스트를 통과하였다.
목차
I. 서 론 41.1. 난수의 필요성 및 성질 41.2. 난수발생기의 정의 및 종류 61.3. 난수성 검증 시험 71.4. TRNG 후처리 알고리즘의 필요성 10II. 기존 난수 발생기 후처리 알고리즘의 문제점 132.1. 난수 발생기 후처리 알고리즘의 주요 파라미터 132.2. 난수 발생기 후처리 알고리즘의 종류 142.2.1. Discard 알고리즘 기반 후처리 알고리즘 152.2.2. Cryptographic 알고리즘 기반 후처리 알고리즘 192.3. 기존 난수 발생기 후처리 알고리즘 비교 21III. 제안하는 PHOTON 해시 함수 기반 경량 후처리 알고리즘 233.1. 제안하는 PHOTON 해시 알고리즘 소개 233.1.1. 해시 함수 및 SHA-3 해시 알고리즘 233.1.2. 스펀지 구조 243.2. 제안하는 PHOTON 해시 함수 기반 경량 후처리 알고리즘 구조 26IV. PHOTON 후처리 알고리즘을 적용한 경량 CMOS 진성 난수 발생 회로 구현 304.1. 제안하는 PHOTON 해시 알고리즘 구현 304.2. PHOTON 및 기존 후처리 알고리즘 구현 결과 비교 324.3. TRNG 동작 원리 및 구현 334.4. PHOTON 후처리 알고리즘을 적용한 경량 CMOS 진성 난수 발생기 354.5. ASIC 구현 및 시뮬레이션 검증 41V. 칩 측정 및 NIST TEST 결과 435.1. TRNG 칩 성능 검증을 위한 측정 환경 셋업 435.2. 칩 설계 검증 및 결과 455.3 NIST 테스트 결과 및 비교 분석 475.4 후처리 알고리즘 및 설계 칩 성능 요약 51VI. 결론 52참고문헌 54
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