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

Abstract

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.