Comparison of Self-Timed Ring and Inverter Ring Oscillators as Entropy Sources in FPGAs

International audienceMany True Random Numbers Generators (TRNG) use jittery clocks generated in ring oscillators as a source of entropy. This is especially the case in Field Programmable Gate Arrays (FPGA), where sources of randomness are very limited. Inverter Ring Oscillators (IRO) are relatively well characterized as entropy sources. However, it is known that they are very sensitive to working conditions. This fact makes them vulnerable to attacks. On the other hand, Self-Timed Rings (STR) are currently considered as a promising solution to generate robust clock signals. Although many studies deal with their temporal behavior and robustness in Application Specific Integrated Circuits (ASIC), equivalent study does not exist for FPGAs. Furthermore, these oscillators were not analyzed and characterized as entropy sources aimed at TRNG design. In this paper, we analyze STRs as entropy sources for TRNGs implemented in FPGAs. Next, we compare STRs and IROs when serving as sources of randomness. We show that STRs represent very interesting alternative to IROs: they are more robust to environmental fluctuations and they exhibit lower extra-device frequency variations

Générateurs de nombres véritablement aléatoires à base d'anneaux asynchrones : conception, caractérisation et sécurisation

True Random Number Generators (TRNG) are ubiquitous in many critical cryptographic applications (key generation, DSA signatures, etc). While many TRNG designs exist in literature, only a few of them deal with security aspects, which is surprising considering that they are low-level primitives in a cryptographic system (a weak TRNG can jeopardize a whole cryptographic system). The objective of this thesis was to study the advantages of asynchronous design techniques in order to build true random number generators that are secure and robust. We especially focused on digital oscillators called self-timed rings (STR), which use a handshake request and acknowledgement protocol to organize the propagation of data. Using some of the unique properties of STRs, we propose a new TRNG principle, with a detailed theoretical study of its behavior, and an evaluation of the TRNG core in ASICs and FPGAs. We demonstrate that this new principle allows to generate high quality random bit sequences with a very high throughput (> 100 Mbit/s). Moreover, it enables a realistic estimation for the entropy per output bit (this entropy level can be tuned using the entropy extractor parameters). We also present a complete methodology to design the TRNG, to properly set up the architecture with regards to the level of noise in the circuit, and to secure it against attacks and failuresLes générateurs de nombres véritablement aléatoires (TRNG) sont des composants cruciaux dans certaines applications cryptographiques sensibles (génération de clés de chiffrement, génération de signatures DSA, etc). Comme il s’agit de composants très bas-niveau, une faille dans le TRNG peut remettre en question la sécurité de tout le système cryptographique qui l’exploite. Alors que beaucoup de principes de TRNG existent dans la littérature, peu de travaux analysent rigoureusement ces architectures en termes de sécurité. L’objectif de cette thèse était d’étudier les avantages des techniques de conception asynchrone pour la conception de générateurs de nombres véritablement aléatoires (TRNG) sûrs et robustes. Nous nous sommes en particulier intéressés à des oscillateurs numériques appelés anneaux auto-séquencés. Ceux-ci exploitent un protocole de requêtes et acquittements pour séquencer les données qui y circulent. En exploitant les propriétés uniques de ces anneaux, nous proposons un nouveau principe de TRNG, avec une étude théorique détaillée sur son fonctionnement, et une évaluation du cœur du générateur dans des cibles ASIC et FPGA. Nous montrons que ce nouveau principe permet non seulement de générer des suites aléatoires de très bonne qualité et avec un très haut débit (>100 Mbit/s), mais il permet aussi une modélisation réaliste de l’entropie des bits de sortie (celle-ci peut être réglée grâce aux paramètres de l’extracteur). Ce travail propose également une méthodologie complète pour concevoir ce générateur, pour le dimensionner en fonction du niveau de bruit dans le circuit, et pour le sécuriser face aux attaques et défaillance