FPGA tababanlı, PCI ara yüzlü, gerçek zamanlı rasgele sayı üreteci sistemi tasarımı ve uygulamaları
FPGA based real time statistical test system with PCI for random number genarator design and applications
Yazar: MURAT ERAT
Danışman: PROF. DR. KENAN DANIŞMAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: FPGA = FPGA

Özet:
Günümüzde, bilişimdeki gelişmeler ve bilgi güvenliğine duyulan ihtiyaç rasgele olarak üretilen güçlü anahtarların gerekliliğini zorunlu hale getirmiştir. Bu anahtarlar çoğunlukla yazılım tabanlı Rasgele Sayı Üretecleri (RSÜ) tarafından oluşturulmaktadır. Ancak donanım tabanlı olmayan bir ortamda Gerçek Rasgele Sayı Üretici (GRSÜ) uygulamasını gerçekleştirmek güvenli değildir.Bu çalışmada rasgele sayı üretmek ve yeni RSÜ tasarımlarını test etmek için geliştirilen donanım tabanlı gerçek zamanlı istatistiksel test ve veri toplama sistemi sunulmaktadır. Geliştirilen FPGA tabanlı donanım, sadece GRSÜ olarak kullanılmayacak, aynı zamanda bundan sonra üretilecek GRSÜ prototiplerinin geliştirme sürelerini kısaltacak ve sonuçları test etmek için kullanılacaktır. Tasarlanan RSÜ'nün PCI arayüzüne sahip olması, donanımı bilgisayar tabanlı kripto uygulamaları için ideal bir çözüm haline getirmektedir. Tasarlanan FPGA tabanlı donanımın test ve veri toplama modundaki maksimum hızı 100 Mbps olarak tespit edilmiştir. Bu hız literatürde bulunan RSÜ'lerin en fazla 40 Mbps hızında çıkış sağladığı göz önüne alındığında yeterli seviyededir. Bununla birlikte donanımsal GRSÜ çıkış hızı 128 Kbpsdır. Üretilen Rasgele Sayılar FPGA üzerine gömülmüş FIPS 140-2 testlerine gerçek zamanda tabi tutulmuştur. Ölçüm sonuçları, geliştirilen sistemin doğruluğunu, uygulanabilirliğini ve sağlamlığını onaylamaktadır.Bu çalışma kapsamında, biyometrik teknolojilerin donanım tabanlı GRSÜ ile bileşiminin pratik uygulamalarını göstermek amacıyla, kişilerin parmak izi ve yüz şablonunu şifrelemekte kullanılan özel anahtarların FPGA tabanlı GRSÜ tarafından üretildiği ve test edildiği 2 farklı biyometrik kimlik doğrulama sistemi uygulama olarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan donanım standart veya gömülü bir PC'ye PCI ara yüzü vasıtasıyla kolaylıkla takılabilir. Özel anahtarı oluşturan rasgele sayıların gerçek olması, iki seviyeli rassallık testi uygulanarak garantilenmiştir. Rassallık testi ilk olarak donanımda (FIPS 140-2) daha sonra PC üzerinde NIST 800-22 test takımı kullanılarak gerçeklenmiştir.

Abstract:
The need for information security with the developments in the information technologies mandates the increase in the strength level of randomly generated keys. These keys are commonly generated by a software based Random Number Generator (RNG). However, the software implementation of a RNG is not considered as secure as it would be in a hardware implementation.In this study, a hardware based real-time statistical test and data acquisition system that could be used for random number generation and test of novel RNG design is presented. The Field Programmable Gate Array (FPGA) based hardware will not only generate random numbers but also help to speed up the process of prototype development of such systems. This hardware design will be an ideal candidate for computer based crypto applications due to its Peripheral Component Interface (PCI) based implementation. Maximum test and data acquisition speed of the FPGA based hardware is observed as 100 Mbps which is very satisfactory when compared to other existing designs in the literature which feature throughput upto 40 Mbps. Together with that, the throughput of hardware based TRNG is 128 Kbps. The generated random numbers are subjected to FIPS 140-2 tests that are burned into the FPGA and the results of measurements approve and verify the feasibility and robustness of the system.Within the scope of this study, two different biometric identity verification systems were implemented for face recognition, and fingerprint recognition as an application. The system could easily be mounted on a PC by using the PCI interface. It was guarenteed by a two-level randomness test that the numbers which generate the private key were truly random. Randomness test was performed first on the hardware (FIPS 140-2) and second on the PC (NIST 800-22). The purpose of the presentation of these applications is to show a practical use of hardware based TRNG in biometric applications.