Systém pro sběr entropie z okolního elektromagnetického šumu

Bc. Jan Němec

Master's thesis

System for Entropy Collecting from Ambient Electromagnetic Noise

Abstract:

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.

Abstract:

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.

Keywords

HackRF One, softwarově definované rádio, entropie, generátor náhodných čísel, skutečný generátor náhodných čísel, RNG, TRNG, Python, GNU Radio Companion

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 5. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Stanislav Kovář, PhD.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Applied Informatics

Master programme / field:
Bezpečnostní technologie, systémy a management / Security Technologies