Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mingesz Róbert Gingl.

Az előadások a következő témára: "Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mingesz Róbert Gingl."— Előadás másolata:

1 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mingesz Róbert Gingl Zoltán és Vadai Gergely A KLJN protokoll megvalósításának legfrissebb eredményei

2 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Bevezetés: a KLJN protokoll bemutatása

3 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Titkosított kommunikáció Miért fontos? – Nemzetbiztonság – Bankok közötti kommunikáció – Személyes adatok védelme – Számítógépes rendszerek biztonsága Módszerek – Üzenetek elrejtése (szteganográfia) – Kommunikáció titkosítása

4 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Titkosító algoritmusok Szimmetrikus kulcsú rejtjelezés – DES, AES Nyilvános kulcsú rejtjelezés – RSA Biztonsági követelmény: – A támadó erőforrásai korlátozottak (DES: 1999-ban 22 óra alatt feltörve)

5 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Feltörhetetlen titkosítás One time padding Az üzenet minden bitjére egy kulcsbit jut A kulcs legalább olyan hosszú kell legyen mint az üzenet Csak egyszer használható Biztonságos kulcscsere?

6 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Miért feltörhetetlen? Példa titkosított üzenet D9r djiodfsDdd+56ddsdERFAdrer Lehetséges megfejtések Bedobjuk a gyűrűt a vulkánba. Holnapután megadjuk magunkat. Béla megcsalta Marit Dórával. while(true) {print(”Hello”);}

7 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Módszerek kulcsmegosztásra Fizikai adathordozó – Véges méret – Másolható Kvantumtitkosítás

8 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Kvantumtitkosítás Quantum key distribution (QKD) – Fizika: a megfigyelés megváltoztatja az információt – Elvileg abszolút biztonságos – Valóság: az implementációk többségét feltörték – Hátrány: magas költség, érzékeny kábelek

9 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Klasszikus fizika ? Lehet klasszikus fizika törvényei segítségével biztonságos kulcsmegosztás? 2005: Laszlo B. Kish: igen

10 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 KLJN protokoll Termikus egyensúly Johnson-zaj:

11 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Vezetéken mérhető feszültségzaj LL HH LH HL t SUSU

12 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Zajgenerátorok Termikus feszültség szobahőmérsékleten túl kis értékű Zajgenerátorok: magas hőmérséklet szimulálása

13 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Lehetséges támadások

14 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Lehetséges támadások Alkatrészek pontatlansága – Aszimmetria Man-in-the-middle támadás – Védekezés: hitelesített csatorna a két fél között Áram injektálása a rendszerbe – Védekezés: mért értékek megosztása hitelesített csatornán

15 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Tökéletlenségek következménye Információ szivárgása Eve valamekkora valószínűséggel kitalálja a bit-eket (50%-nál jobb találati arány) Teljes feltörhetőség?

16 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Hullámterjedés Hullámterjedés feltételezése 99,9 % lehallgathatóság Lachlan J. Gunn, Derek Abbott, http://arxiv.org/abs/1402.2709v2 http://arxiv.org/abs/1402.2709v2 Helyes modell / mérés ?

17 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Hardver megvalósítása

18 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Cél „Proof of concept” Alacsony költség Mi szükséges a megfelelő biztonsághoz? Feltörési kísérletek tesztelése

19 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Első kommunikátor

20 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Rendszer blokkvázlata

21 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Blokk diagram – Mester

22 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Blokk diagram – Szolga

23 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Eredmények Elv működőképességének bizonyítása Tranziensek kiküszöbölése* Hatékony bit-detektálási algoritmusok*

24 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Problémák Számítógép végzi a feldolgozás döntő részét A paneleken nem lehet részletes méréseket végezni Szinkronizáló órajel szükséges a két egység között Zavarérzékeny

25 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Áthallás a jel és órajelvezeték között

26 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Második rendszer cDAQ alapú Minta: bárki megvalósíthatja Kereskedelemben kapható műszer Gyorsabb kommunikáció a számítógéppel

27 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Aktuális rendszer

28 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Analóg panel

29 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Előnyök Rugalmasan konfigurálható Kis impedanciás mérőkimenetek Precíziós árammérő erősítő Mérőpontok Árnyékolt jelvezetékek

30 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 MA-DAQ Mini

31 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Tulajdonságok 2 analóg kimenet (12 bit) 4 analóg bemenet (2 x 16 bit 1 MHz) 512 KiB RAM 8 bit mikrovezérlő Univerzális felhasználhatóság

32 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 MA-DAQ 32 (Medvegy Viktor)

33 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Tulajdonságok 2 analóg kimenet (12 bit) 4 analóg bemenet (2 x 12 bit 1 MHz) 32 KiB RAM (belső) 32 bit mikrovezérlő (ARM Cortex-M3) Jelentős számítási teljesítmény Univerzális felhasználhatóság

34 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 cRIO alapú adatgyűjtő 4 analóg kimenet (16 bit 100 kHz) 4 analóg bemenet (16 bit 100 kHz) 512 MiB RAM, 800 MHz-es processzor FPGA (Xilinx LX-50) Hátrány: magas ár, nagy méret Előny: – gyors prototípusfejlesztés – kalibrált I/O

35 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Zajgenerálás

36 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Zajgenerátorok tulajdonságai

37 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Áram és feszültség korrelációja nem megfelelő skálázódás esetén LHHL

38 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Zajgenerátor eloszlása Követelmény: Gauss-eloszlás R Mingesz, G Vadai, Z Gingl, FNL 13:(3) p. 1450021. 6 p. (2014) Probléma: költségesebb előállítani, mint egyenletes eloszlású fehér zajt

39 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Áram és feszültség korrelációja egyenletes eloszlású fehér zaj LHHL

40 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Normál eloszlású zaj létrehozása Marsaglia-módszer do { u = rand() * 2 - 1; v = rand() * 2 - 1; s = u * u + v * v; } while(s >= 1 || s == 0); s = sqrt(-2.0 * log(s) / s); spare = v * s; return variance * u * s;

41 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Közelítő megoldás Centrális határeloszlás tételét felhasználva: 12 véletlen szám összege (közelítés) Implementálva FPGA-n – 64 bit szóhossz (végeredmény 16 bit-es) Ismétlődés (100 kHz): 400 000 év (Beépített algoritmus: ~ 1 óra) – 2 millió véletlen szám / másodperc

42 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Sávszélesség korlátozása: szűrés Mintavételi frekvencia: 20 kHz Határfrekvencia: 1,5 kHz Digitális: másodfokú Butterworth szűrő Analóg: – másodfokú Butterworth szűrő – Sallen-Key elrendezés

43 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Tranziensek csökkentése – burkológörbe

44 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mérés és bit-detektálás

45 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mért mennyiségek Feszültségjel (Alice és Bob) – Számolt mennyiség: feszültség szórása (SD) Áramjel – Számolt mennyiség: áram szórása Különbség Alice és Bob értéke között: feltörési kísérlet?

46 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Példa statisztika feszültségre 10 000 pont alapján A szórás eloszlása Gauss-eloszlást követ

47 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Lehetséges döntés (hibaráta: 10 -4 ) LH/HLLLHH

48 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Döntés áram szórása alapján LH/HLHHLL

49 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Javított detektálási algoritmus Feszültségmérés alapján LLLH/HLHH Árammérés alapján LL (insecure) LL (insecure) Discard (attack?) LH / HL LH/HL (secure) LH/HL (secure) HH (insecure) HHLH/HL (secure) LH/HL (secure) HH (insecure) 49 Feszültség + áramjel

50 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Összesített hibaráta: 10 -32 LH/HL / HHLL

51 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Vezeték ellenállásának hatása

52 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 SD(Alice)-SD(Bob) RH = 11 kΩ, RL = 1 kΩ, Rwire = 200 Ω Kitalált bitek arány: 64 % (ideális: 50%)

53 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Megoldás: bit-ek eldobása Eldobott bit-ek aránya: 29 % Végeredmény találati arány: 50.46 %

54 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Összefoglalás

55 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Összefoglalás Szegeden valósítottuk meg az első KLJN rendszereket Dedikált hardverek: – Alacsony költségek – Prototípusok kész megoldásokhoz Kereskedelmi műszerek – Protokoll tesztelése – Gyors fejlesztés

56 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Eredmények Zajgenerátorral kapcsolatos követelmények – Skálázódás – Gauss-eloszlás Hatékony detektálási algoritmusok Információszivárgás vizsgálata

57 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 További tervek Hatékony cRIO program 32 bit-es mikrovezérlőn alapuló kompakt kommunikátor Differenciális KLJN Feltörési kísérletek vizsgálata http://drrm.net/tag/kljn/

58 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Köszönetnyilvánítás Mellár János Csikós Zoltán Medvegy Viktor

59 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Köszönetnyilvánítás A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. A kutatási program címe: Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.