КРИПТОСТІЙКІ МЕТОДИ ТА ГЕНЕРАТОРИ ВИПАДКОВИХ ЧИСЕЛ У ПРИСТРОЯХ ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ (IOT)

Анотація

Предмет дослідження: криптостійкі методи та засоби генерування випадкових послідовностей та апаратна підтримка криптографічних перетворень у пристроях IoT. Метою статті є дослідження криптостійких методів та засобів генерування та тестування випадкових послідовностей, придатних для використання у пристроях IoT з обмеженими ресурсами; визначення схемних реалізацій апаратних генераторів випадкових послідовностей; формування висновків щодо використання генераторів випадкових чисел (ГВЧ) в системах криптографічного захисту мережі IoT. У статті вирішуються наступні завдання: аналіз методів та апаратних засобів формування випадкових послідовностей для захисту рішень IoT з обмеженими ресурсами; визначення безпечних та ефективних технологій реалізації ГВЧ; класифікація атак на ГВЧ; аналіз перешкод практичного використання пакетів статистичних тестів для оцінювання якості випадкових послідовностей ГВЧ; оцінювання швидкодії криптоакселераторів апаратної підтримки криптографічних перетворень; надання практичних рекомендацій щодо RNG для застосування в пристроях IoT з обмеженими ресурсами. Методи дослідження: метод структурно-функціонального аналізу RNG та пристроїв IoT, криптографічні методи захисту інформації, методи генерування випадкових послідовностей, метод аналізу стійкості систем, методи побудови автономних бульових мереж та аналізу бульового хаосу, методи оцінювання якості випадкових послідовностей. Результатами роботи є аналіз технологій та схемних рішень апаратних ГВЧ за характеристиками: якість випадковості чисел та непередбаченість послідовностей, швидкодія, енергоспоживання, мініатюрність, можливість інтегрального виконання; надання практичних рекомендацій щодо для застосування ГВЧ в системах криптографічного захисту мережі IoT. Новизною проведеного дослідження є  аналіз методів та апаратних засобів підтримки технологій генерування випадкових послідовностей в системі криптографічного захисту рішень IoT; проведення класифікації атак на ГВЧ та особливостей захисту від них; визначення ефективних технологій та схемних рішень ГВЧ щодо використання в малопотужних пристроях IoT з обмеженими обчислювальними ресурсами; надання практичних рекомендацій щодо використання ГВЧ в системах криптографічного захисту мережі IoT. Аналіз технологій та схемних рішень дозволив сформувати наступні висновки: захист рішень IoT включає: безпеку вузлів мережі IoT та їх підключення до хмари за допомогою захищених протоколів, забезпечення конфіденційності, автентичності та цілісності даних в мережі IoT криптографічними методами, аналіз атак та моніторинг криптостійкості мережі IoT; первісною основою захисту рішень IoT є істинна випадковість послідовностей, які формуються ГВЧ і використовуються у алгоритмах криптографічного перетворення інформації для її захисту; особливістю пристроїв ІоТ є їх гетерогенність і географічний розподіл, обмеженість обчислювальних ресурсів та електроживлення, мініатюрність; найбільш ефективними (зменшують енергоспоживання та збільшують швидкість генерації) для застосування в пристроях IoT є RNG виключно на цифровій основі, в яких реалізується триступінчастий процес: початкова цифрова схема, нормалізатор та формувач потоку випадкових чисел; автономні бульові мережі (АБМ) дозволяють створити RNG з унікальними характеристиками: отримані числа є дійсно випадковими, висока швидкість - число можна отримати за один такт, мінімальне енергоспоживання, мініатюрність, висока (до 3 ГГц) пропускна здатність бульового хаосу; перспективним напрямом розвитку AБМ є використання оптичних логічних вентилів для побудови оптичних AБМ з пропускною здатністю до 14 ГГц; класифікація відомих класів атак на ГВЧ включає: прямі криптоаналітичні атаки, атаки, засновані на вхідних даних, атаки на основі розкриття внутрішнього стану ГВЧ, кореляційні атаки та спеціальні атаки; пакети статистичних тестів для оцінювання послідовностей RNG мають деякі обмеження або недоліки та не замінюють криптоаналіз; порівняння швидкодії криптоакселераторів з програмними засобами криптографічних перетворень показує їх значні переваги: для блокового алгоритму шифрування AES підвищується швидкодія в 10-20 разів у 8/16-бітових криптоакселераторах і в 150 разів у 32-бітових, хешування зростання швидкодії для алгоритмів SHA-1, SHA-256 у 32-бітових криптоакселераторів більш ніж в 100 разів, а для алгоритму НМАС - до 500 разів.