Hlavním cílem práce je navrhnout systém pro sběr entropie z okolního elektromagnetického šumu a následná úprava do podoby náhodných čísel. V úvodu práce je nastíněný současný stav v oblasti antén, softwarově definovaných rádií a generátorů náhodných čísel, včetně metod realizace a uplatnění. Další část práce se zabývá návrhem systému pro sběr entropie pomocí softwarově definovaného rádia. Využité hardwarové nástroje jsou tvořeny softwarovým rádiem HackRF One, v kombinaci s teleskopickou anténou ANT500, disponující frekvenčním rozsahem od 75 MHz do 1 GHz. Softwarové nástroje, používané v práci, zahrnují GNU Radio Companion, pro tvorbu základní struktury ovládání rádia a programovací jazyk Python, pro následné zpracování zachyceného signálu a implementace do aplikace. Zachycená entropie je podrobena analýze kvůli ověření náhodnosti a jsou stanoveny parametry pro dosažení nejlepších výsledků. Výzkum zahrnuje frekvenční analýzu, nezávislou na pozici bytu v čísle, výpočet entropie generovaných čísel a vývoj průměrné hodnoty závislé na pozici bytu v čísle. Závěrem práce je aplikace, ilustrující uplatnění náhodných čísel v kryptografii a využívající blokovou šifru AES-256 v GCM módu, který eliminuje nutnost zadávat inicializační vektor.
Anotace v angličtině
The main goal set for this thesis is to propose a method for gathering entropy from surrounding electromagnetic noise, followed by the transformation of said entropy into a random number. The introduction contains brief research on antennas, software-defined radios, and random number generators. Research would be focused on the realization method and usage in practice. Next in line is developing a technique for extracting entropy from electromagnetic noise using software-defined radio HackRF One, combined with telescopic whip antenna ANT500 designed for frequencies from 75 MHz to 1 GHz. Used software tools combine GNU Radio Companion to create basic radio controlling structure and programming language Python, processing harvested signal and implementation into showcase application. Acquiring entropy is subjected to analysis to test randomness and determine the best parameters. The set of tests comprises frequency analysis, independent of byte position, entropy calculation, and convergence of average byte value depending on byte position in a tested number. Lastly, all acquired knowledge serves to develop a showcase application to generate encryption keys for AES-256 in GCM mode, eliminating an initialization vector.
Klíčová slova
HackRF One, softwarově definované rádio; entropie, generátor náhodných čísel, skutečný generátor náhodných čísel, RNG, TRNG, Python, GNU Radio Companion
Klíčová slova v angličtině
HackRF One, software-defined radio; entropy, random number generator, true random number generator, RNG, TRNG, Python, GNU Radio Companion
Rozsah průvodní práce
73 s. (100 512 znaků)
Jazyk
CZ
Anotace
Hlavním cílem práce je navrhnout systém pro sběr entropie z okolního elektromagnetického šumu a následná úprava do podoby náhodných čísel. V úvodu práce je nastíněný současný stav v oblasti antén, softwarově definovaných rádií a generátorů náhodných čísel, včetně metod realizace a uplatnění. Další část práce se zabývá návrhem systému pro sběr entropie pomocí softwarově definovaného rádia. Využité hardwarové nástroje jsou tvořeny softwarovým rádiem HackRF One, v kombinaci s teleskopickou anténou ANT500, disponující frekvenčním rozsahem od 75 MHz do 1 GHz. Softwarové nástroje, používané v práci, zahrnují GNU Radio Companion, pro tvorbu základní struktury ovládání rádia a programovací jazyk Python, pro následné zpracování zachyceného signálu a implementace do aplikace. Zachycená entropie je podrobena analýze kvůli ověření náhodnosti a jsou stanoveny parametry pro dosažení nejlepších výsledků. Výzkum zahrnuje frekvenční analýzu, nezávislou na pozici bytu v čísle, výpočet entropie generovaných čísel a vývoj průměrné hodnoty závislé na pozici bytu v čísle. Závěrem práce je aplikace, ilustrující uplatnění náhodných čísel v kryptografii a využívající blokovou šifru AES-256 v GCM módu, který eliminuje nutnost zadávat inicializační vektor.
Anotace v angličtině
The main goal set for this thesis is to propose a method for gathering entropy from surrounding electromagnetic noise, followed by the transformation of said entropy into a random number. The introduction contains brief research on antennas, software-defined radios, and random number generators. Research would be focused on the realization method and usage in practice. Next in line is developing a technique for extracting entropy from electromagnetic noise using software-defined radio HackRF One, combined with telescopic whip antenna ANT500 designed for frequencies from 75 MHz to 1 GHz. Used software tools combine GNU Radio Companion to create basic radio controlling structure and programming language Python, processing harvested signal and implementation into showcase application. Acquiring entropy is subjected to analysis to test randomness and determine the best parameters. The set of tests comprises frequency analysis, independent of byte position, entropy calculation, and convergence of average byte value depending on byte position in a tested number. Lastly, all acquired knowledge serves to develop a showcase application to generate encryption keys for AES-256 in GCM mode, eliminating an initialization vector.
Klíčová slova
HackRF One, softwarově definované rádio; entropie, generátor náhodných čísel, skutečný generátor náhodných čísel, RNG, TRNG, Python, GNU Radio Companion
Klíčová slova v angličtině
HackRF One, software-defined radio; entropy, random number generator, true random number generator, RNG, TRNG, Python, GNU Radio Companion
Zásady pro vypracování
Vypracujte rešerši na téma současného stavu antén, včetně metod realizace a uplatnění při sběru entropie z okolního elektromagnetického šumu.
Vytvořte prototyp sběru signálu pomocí softwarem definovaného rádia a následného generovaní náhodných čísel.
Aplikujte prototyp do vybraného kryptografického systému.
Navrhněte metodu testování funkčnosti prototypu.
Otestujte a optimalizujte prototyp na základě navržené metody.
Zásady pro vypracování
Vypracujte rešerši na téma současného stavu antén, včetně metod realizace a uplatnění při sběru entropie z okolního elektromagnetického šumu.
Vytvořte prototyp sběru signálu pomocí softwarem definovaného rádia a následného generovaní náhodných čísel.
Aplikujte prototyp do vybraného kryptografického systému.
Navrhněte metodu testování funkčnosti prototypu.
Otestujte a optimalizujte prototyp na základě navržené metody.
Seznam doporučené literatury
BALANIS, Constantine A. Antenna Theory: Analysis and Design. 4th ed. Hoboken, New Jersey: John Wiley, 2016. ISBN 9781118642061.
COLLINS, Travis F., Robin GETZ, Di PU a Alexander M. WYGLINSKI. Software-Defined Radio for Engineers. USA. Artech House Publishers, 2018. ISBN 9781630814571.
GONG, Lishuang, Jianguo ZHANG, Haifang LIU, Luxiao SANG a Yuncai WANG. True Random Number Generators Using Electrical Noise. IEEE Access [online]. 2019, 7, 125796-125805 [cit. 2021-11-30]. ISSN 2169-3536.
NAĎ, Andrej. Implementace Diehard testů pro testování generátorů pseudonáhodných čísel. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, 2018, 90 s. Dostupné také z: http://hdl.handle.net/10563/43244. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Fakulta aplikované informatiky, Ústav elektroniky a měření. Vedoucí práce Žáček, Petr.
Seznam doporučené literatury
BALANIS, Constantine A. Antenna Theory: Analysis and Design. 4th ed. Hoboken, New Jersey: John Wiley, 2016. ISBN 9781118642061.
COLLINS, Travis F., Robin GETZ, Di PU a Alexander M. WYGLINSKI. Software-Defined Radio for Engineers. USA. Artech House Publishers, 2018. ISBN 9781630814571.
GONG, Lishuang, Jianguo ZHANG, Haifang LIU, Luxiao SANG a Yuncai WANG. True Random Number Generators Using Electrical Noise. IEEE Access [online]. 2019, 7, 125796-125805 [cit. 2021-11-30]. ISSN 2169-3536.
NAĎ, Andrej. Implementace Diehard testů pro testování generátorů pseudonáhodných čísel. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, 2018, 90 s. Dostupné také z: http://hdl.handle.net/10563/43244. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Fakulta aplikované informatiky, Ústav elektroniky a měření. Vedoucí práce Žáček, Petr.
Přílohy volně vložené
CD ROM (Grafy, zdrojové kódy)
Přílohy vázané v práci
-
Převzato z knihovny
Ne
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Diplomant prezentoval před komisí cíle a výsledky své diplomové práce. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta diplomové práce.
Student odpověděl na otázky z posudků. Komise nevznesla k obhajobě žádné další dotazy.