ШУМОВЫЕ ДИОДЫ КАК ИСТОЧНИК ЭНТРОПИИ ДЛЯ АППАРАТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ

Дмитрий О. Петров, Виктор В. Буслюк, Станислав С. Дереченник, Виктор А. Емельянов

Аннотация


Целью настоящей статьи является анализ применения генераторов цифрового шума на основе полупроводниковых шумовых диодов в составе систем формирования ключевых числовых последовательностей, применяемых в методах криптографической защиты информации. Рассмотрена классификация современных методов криптографической защиты информации и лежащие в их основе алгоритмы. Показывается, что обеспечение высокой информационной энтропии в системах порождения ключей шифрования возможно при использовании генераторов истинно случайных числовых последовательностей и криптографически стойких генераторов псевдослучайных числовых последовательностей. Описывается ряд недостатков присущих широко применяемым источникам физического шума: низкая спектральная плотность широкополосного шума, ограниченный диапазон частот, нелинейность спектра шума, сложности технической реализации, особенно в условиях крайних температур и воздействия специальных факторов. Подтверждено, что шумовые свойства полупроводниковых шумовых диодов зависят от состава и постоянства дефектно-примесной структуры, а инженерия дефектов позволяет управлять их электрическими параметрами. Исследование неоднородностей и дефектов шумовых диодов и разработка на этой основе способов управления уровнем структурных дефектов позволили создать технологии их генерации и отжига, улучшить ряд электрических и статистических свойств шумовых диодов.

Ключевые слова


криптография, криптографический алгоритм, энтропия, ключ шифрования, генератор цифрового шума, шумовой диод, инженерия дефектов, отжиг.

Полный текст:

PDF

Литература


1. Рябко Б.Я. Криптографические методы защиты информации: учебное пособие. М.: Горячая линия-Телеком, 2017.  230 с. ISBN 978-5-9912-0286-2.

2. Vassilev A., Hall T.A. The Importance of Entropy to Information Security. Computer. 2014, vol. 47, no. 2, p. 78-81.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MC.2014.47.

3. Van Herrewege A., Van der Leest V., Schaller A., Katzenbeisser S., Verbauwhede I. Secure PRNG Seeding on Commercial Off-the-Shelf Microcontrollers. TrustED '13: Proceedings of the 3rd international workshop on Trustworthy embedded devices. 2013, p. 5564. DOI: https://doi.org/10.1145/2517300.2517306.

4. Аверин Г.В., Звягинцева А.В. О взаимосвязи статистической и информационной энтропии при описании состояний сложных систем. Прикладная математика & Физика. 2016, № 20(241).
URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vzaimosvyazi-statisticheskoy-i-informatsionnoy-entropii-pri-opisanii-sostoyaniy-slozhnyh-sistem (дата обращения: 20.10.2023).

5. Афанасенков А.С., Кучинский П.В., Новик М.И., Петрунин П.Ю., Ращеня Н.А. Аппаратно-программное устройство генерации случайных числовых последовательностей с USB-интерфейсом. Комплексная защита информации: Материалы XXI научно-практической конференции, Смоленск. 2016, с. 70-74.

6. Григорьев А.Ю. Методы тестирования генераторов случайных и псевдослучайных последовательностей. Ученые записки УлГУ. Сер. Математика и информационные технологии. УлГУ. Электрон. журн. 2017, № 1, с. 22-28. – EDN YSUQMX.

7. Cao Y., Liu W., Qin L., Liu B., Chen S., Ye J., Xia X., Wang C. Entropy Sources Based on Silicon Chips: True Random Number Generator and Physical Unclonable Function. Entropy. 2022, 24(11):1566.
DOI: https://doi.org/10.3390/e24111566.

8. Jun B., Kocher P. The Intel® random number generator. Cryptography Research Inc. White Paper, San Francisco. 1999. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/The-intel-random-number-generator-Jun-Kocher/6dd9928f4704f49151624a030491c514133471a9 (дата обращения: 20.11.2023).

9. Багров К.В., Рычкова А.А. Разработка метода генерации случайных чисел на основе природного радиационного фона. Символ науки. 2021, № 6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-metoda-generatsii-sluchaynyh-chisel-na-osnove-prirodnogo-radiatsionnogo-fona (дата обращения: 20.10.2023).

10. Balygin K.A., Zaitsev V.I., Klimov A.N., Kulik S.P., Molotkov S.N., Popova E., Vinogradov S. Quantum random number generator based on ‘Fermi–Dirac’ statistics of photocounts of faint laser pulses with a 75 Mbit s−1 rate. Laser Phys. Lett. 2017, 14 125207. DOI: https://doi.org/10.1088/1612-202X/aa930e.

11. Mandana Ewert. 2018. A Random Number Generator Based on Electronic Noise and the Xorshift Algorithm. In Proceedings of the 2018 VII International Conference on Network, Communication and Computing (ICNCC '18). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 357–362.
DOI: https://doi.org/10.1145/3301326.3301359.

12. Горбадей О.Ю., Зеневич А.О. Использование диодов-генераторов шума для создания двухуровневой случайной числовой последовательности. Телекомунікаційні та інформаційні технології. 2017, № 3(56), с. 1217. – EDN YNNGFV.

13. Шнайер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си. М.: Издательство ТРИУМФ, 2003.  816 с. ISBN 5-89392-055-4.

14. Авдошин С.М., Савельева А.А. Криптографические методы защиты информационных систем. Известия АИН им. А.М. Прохорова. Бизнес-информатика. 2006, т. 17, с. 9199.
URL: https://www.hse.ru/data/005/621/1235/001.pdf?ysclid=lp9o1i8ra5238827399 (дата обращения: 20.11.2023).

15. Орлов В.Г., Мазуркевич Д.О. Алгоритмы шифрования в публичных беспроводных сетях. T-Comm. 2011, № 10. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/algoritmy-shifrovaniya-v-publichnyh-besprovodnyh-setyah (дата обращения: 20.10.2023).

16. Будько М.Б., Будько М.Ю., Гирик А.В., Грозов В.А. Методы генерации и тестирования случайных последовательностей. СПб: Университет ИТМО, 2019. – 70 с.

17. Буслюк В.В. Шумовые полупроводниковые диоды с управляемым уровнем дефектности высоколегированных кремниевых структур. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Минск. БГУИР, 2022. URL: http://dep.nlb.by/jspui/handle/nlb/57451 (дата обращения: 20.10.2023).

18. Buslyuk, V.V., Odzhayev, V.B., Panfilenko, A.K. et al. Physical Parameters of the Broadband Noise-Generator Diodes. Russ Microelectron. 2020, no. 49, p. 295–301.
DOI: https://doi.org/10.1134/S1063739720040034.

19. Емельянов В.В., Емельянов В.А., Сенько С.Ф., Буслюк В.В., Просолович В.С., Дереченник С.С. Способ изготовления полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (001): пат. BY 22406 С2. – Опубл. 30.12.2018.

20. Емельянов В.В., Емельянов В.А., Сенько С.Ф., Буслюк В.В., Просолович В.С., Дереченник С.С. Способ изготовления полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (111): пат BY 22465 С2. – Опубл. 30.12.2018.

21. Буслюк В.В. Технология кремниевых диодов генераторов шума. Электроника, наука, технология, бизнес. № 4 (205), 2021, с. 136-138.

22. Емельянов В.В. и др. Формирование стабильной дефектной структуры в кремниевых диодах генераторов шума. Вести НАН Беларуси. Сер. физ.-техн. наук. 2021, т. 66, № 2.
DOI: https://doi.org/10.29235/1561-8358-2021-66-2-145-153.

23. Буслюк В.В., Емельянов В.А., Баранов В.В., Дереченник С.С., Просолович В.С. Стабилизация шумовых параметров при отжиге высоколегированных структур диодов – генераторов шума. Доклады БГУИР. 2021, т. 19(6), с. 32-41.
DOI: http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2021-19-6-32-41.

24. Разумейчик В.С. и др. Оценка вероятностных характеристик случайных сигналов микроэлектронного шумового модуля. Вестник Брестского государственного технического университета. Физика, Математика, Информатика. 2014, № 5(89), c. 41-45. – EDN YUMKYP.

25. Барановский О.К., Кучинский П.В., Чернявский А.Ф. Вести НАН Беларуси. Сер. физ.-мат. наук. 2004, № 4, с. 105110. Оценка энтропии случайных числовых последовательностей, формируемых с использованием физического источника шума.

26. Барановский О. К., Горбадей О.Ю., Зеневич А.О., Сильченко О.М. Исследование возможности использования шумовых диодов для генерации пуассоновского потока импульсов. Проблемы инфокоммуникаций. 2017, № 1 (5), с. 13–18.




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.4.09

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.