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표제지

목차

국문요지 8

제1장 서론 9

제1절 연구 배경 및 필요성 9

제2절 연구 방법 및 구성 10

제2장 관련 연구 11

제1절 기존 진성 난수 생성기 11

1. 노이즈 소스 진성난수 생성기 12

2. 불안정한 발진기 진성난수 생성기 14

3. 카오스 신호 진성난수 생성기 16

제2절 NIST 800-22 Test 16

제3장 기존 FIGARO TRNG 18

제1절 FIGARO TRNG 구조 18

제2절 FIGARO TRNG FPGA 구현 21

제3절 FIGARO TRNG 랜덤성 테스트 23

제4절 FIGARO TRNG 파워 분석 및 문제점 28

제4장 제안하는 TRNG 30

제1절 제안하는 TRNG 구조 30

제2절 제안하는 TRNG FPGA 구현 32

제3절 제안하는 TRNG 랜덤성 테스트 34

제4절 제안하는 TRNG 파워 분석 및 기존 FIGARO TRNG와의 비교 35

제5장 제안하는 TRNG의 ASIC 구현 및 분석 38

제1절 제안하는 TRNG의 ASIC 구현 38

제2절 제안하는 TRNG의 ASIC 구현 결과 41

제6장 결론 45

참고문헌 46

표목차

[표 1] NIST 800-22 랜덤성 테스트를 위한 15가지 테스트 17

[표 2] 클럭 속도에 따른 필요 FIGARO 단위 셀 21

[표 3] Verilog 언어를 이용한 FIGARO TRNG RTL 작성 22

[표 4] FPGA에 구현된 FIGARO TRNG에서 생성된 난수 값 25

[표 5] 수집된 난수 값에 대한 랜덤성 테스트 결과 27

[표 6] FPGA에 구현된 제안하는 TRNG에서 생성된 난수 값 33

[표 7] 제안하는 TRNG구조에서 생성된 난수 값의 랜덤성 테스트 결과 34

[표 8] 제안하는 TRNG 와 기존 FIGARO TRNG의 시뮬레이션 결과 37

[표 9] 구현된 칩에서 생성된 난수 값에 대한 랜덤성 테스트 결과 43

[표 10] ASIC 칩으로 구현된 제안하는 TRNG 와 기존 FIGARO TRNG 비교 44

그림목차

[그림 1] 노이즈 소스를 이용한 진성 난수 생성기 12

[그림 2] 메타스테이블(Metastable) 노이즈를 이용한 진성 난수 생성기 및 출력 전압 그래프 13

[그림 3] 불안정한 발진기에서 발생하는 지터 14

[그림 4] 불안정한 발진기를 이용한 진성 난수 생성기 15

[그림 5] 빠른 발진기를 이용한 기본 난수 생성기 구조 18

[그림 6] Fibonacci & Galois ring oscillator 19

[그림 7] FIGARO TRNG의 단위 셀(Unit Cell) 20

[그림 8] FIGARO TRNG의 단위 셀을 이용한 진성 난수 생성기 21

[그림 9] FPGA에 구현된 FIGARO TRNG 데이터 수집 구조도 23

[그림 10] 데이터 수집 MFC 프로그램 24

[그림 11] 랜덤성 테스트 프로그램 26

[그림 12] FIGARO TRNG의 Hspice 시뮬레이션 결과 28

[그림 13] FIGARO TRNG의 Hspice 시뮬레이션 결과 확대 29

[그림 14] 기존 FIGARO TRNG & 제안하는 TRNG 구조 30

[그림 15] 제안하는 TRNG 전체 구조 31

[그림 16] 제안하는 TRNG의 FPGA 구현 구조도 32

[그림 17] 제안하는 TRNG구조의 Hspice 시뮬레이션 결과 35

[그림 18] 제안하는 TRNG구조의 Hspice 시뮬레이션 결과 확대 36

[그림 19] 제안하는 TRNG구조를 기반으로 하는 의사난수 생성기 39

[그림 20] 제안하는 TRNG구조 ASIC 설계 방식 40

[그림 21] 제안하는 TRNG의 Layout 41

[그림 22] 제안하는 TRNG 파워 소모 측정 방법 42

초록보기

 보안 시스템에서 난수는 암호 알고리즘의 비밀키 생성, 패딩비트(Padding bit)의 생성, DPA(Differential Power Analysis)의 방어를 위한 랜덤한 마스킹(Masking)값 생성, 하이딩(Hiding) 연산, OTP(One Time Password)에서의 키 생성에 쓰인다. 보안시스템에서 난수가 예측 가능하다면 보안 시스템의 키 값, 마스킹 연산 값 등 주요 요소들이 추측가능 하기 때문에 난수는 시스템의 안전성과 밀접한 관계가 있다.

난수를 생성 하는 생성기는 크게 2가지 방식이 있다. 의사 난수 생성기(PRNG, Pseudo Random Number Generator)의 경우 초기 값의 엔트로피가 높아야 안전성을 보장 받을 수 있다. 하지만 결정적인 시스템에서 완벽한 랜덤 값을 생성하는 것을 불가능하기 때문에 의사 난수 생성기를 안전하다고 보기는 힘들다. 그에 반해 진성 난수 생성기(TRNG, True Random Nuber Generator)는 비예측적인 물리소스를 이용하기 때문에 생성되는 난수 값을 추측 하는 것은 불가능에 가깝다. 하지만, 하드웨어적으로 구현 되기 때문에 유연성이 떨어지고 공정과 환경에 따라 생성되는 랜덤성이 변동 되므로 랜덤성 테스트를 통한 랜덤성 검증이 필요 한다. 진성 난수 생성기는 지금까지 많은 연구를 통해 FPGA 및 ASIC 칩으로 구현 되고 난수성 테스트가 이루어 졌지만, 파워 분석에 대한 결과가 없다.

본 논문에서는 초경량 저전력 구조의 진성난수 생성기에 대해 연구 및 분석 하였다. 기존 TRNG 구조에 비해 정적 파워 소모 및 면적이 더 작고 동일한 랜덤성을 가지는 난수 값을 생성 하는 새로운 TRNG 구조를 제안한다.

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