Kaos kaynaklı ve ADC tabanlı özgün gerçek rasgele sayı üreteçlerinin tasarım ve gerçeklenmesi

Abstract

Bu tezde yapılan çalışmalar üç ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci aşamada, sürekli zamanlı kaotik sistemlerin (SZKS) devre gerçeklemelerinin hızlı ve kolay yapılabilmesi için yeni bir bilgisayar ve mikro denetleyici kontrollü kaotik devre deney seti (KDDS) tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. İkinci aşamada ADC tabanlı gerçek rasgele sayı üreteci (GRSÜ) tasarımlarının kolay, hızlı ve esnek yapılabilmesine olanak sağlayan yeni bir bilgisayar ve mikro denetleyici kontrollü bir platform (BMKP) tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Son aşamada ise gerçekleştirilen KDDS ve BMKP kullanılarak, uluslararası en üst düzey standart olan NIST800-22 testlerinin tamamından başarılıyla geçen yeni GRSÜ tasarım ve gerçeklemeleri yapılmıştır. Tezin birinci aşamasında ilk olarak GRSÜ tasarımları için entropi kaynağı olarak kullanılan referans kaotik sistemlerin analizleri yapılmıştır. İkinci olarak referans alınan kaotik sistemler analog devre elemanları ile modellenerek OrCAD-PSpice programında tasarlanan devrelerin faz portrelerine ait simülasyonlar yapılmıştır. Üçüncü olarak karmaşık ve uzun zaman alan kaotik devre gerçekleme işlemlerinin, kolay, hızlı ve esnek yapılabilmesi amacıyla, yeni bir KDDS tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Ardından referans alınan kaotik sistemlerin tasarlanan KDDS ile gerçek devreleri kurulmuş ve elde edilen gerçek devre osiloskop çıktıları, sistemlere ait Matlab, OrCAD-PSpice çıktıları ile karşılaştırılmıştır. İkinci aşamada ADC tabanlı olarak yapılacak olan GRSÜ tasarımlarında kullanılabilecek, yeni bir BMKP tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Bu sistemin özgün yönleri kaotik sistemlerin yanında sıcaklık, RF gibi farklı kaynakları da entropi kaynağı olarak kullanabilmesi, farklı entropi kaynaklarını karıştırarak kullanabilmesi, farklı son işlem algoritmalarının seçilebilmesi olarak sıralanabilir. Son aşamada, gerçekleştirilen KDDS ve BMKP kullanılarak, Rucklidge, Chen ve Zhongtang kaotik sistemleri tabanlı yeni GRSÜ tasarım ve gerçeklemeleri yapılmıştır. Gerçeklenen GRSÜ'ler, NIST800-22 testlerine tabi tutulmuştur. Chen ve Zhongtang kaotik sistemi tabanlı GRSÜ'ler tüm testlerden başarı ile geçmiştir. Anahtar kelimeler: Gerçek Rasgele Sayı Üreteci, İstatistiksel Rasgelelik Testleri, NIST Rasgelelik Testi, Kaos, Sürekli Zamanlı Kaotik Sistemler, Mikro denetleyiciler

The studies in this thesis consists of three main stages. At the first stage, a microcontroller and computer controlled chaotic circuit testing set (CCTS) for fast modelling of continuous-time chaotic systems (CTCS) has been designed and implemented. At the second stage, a microcontroller and computer controlled platform (MCCP) has been designed and implemented to design ADC based true random number generator (TRNG) fast and easily. At the last stage, new TRNGs pass the all of NIST-800-22 statistical tests, which is the highest international standards have been designed and implemented by using CCTS and MCCP for design of TRNG. At the first stage of the thesis, firstly reference chaotic systems used as entropy source of TRNG have been analyzed. Secondly, reference chaotic systems have been modeled by using analog circuit component and the phase portraits of chaotic electronic circuits modeled have been simulated in OrCAD-PSpice. Thirdly, a CCTS has been designed and implemented to make complex and extremely time-consuming process of chaotic circuit implementation fast and easily. After that, reference chaotic systems has been realized using CCTS and then oscilloscope outputs of real circuits have been compared with Mat lab, OrCAD-PSpice outputs. At the second stage, a MCCP has been designed and implemented to be used on design of ADC based TRNG fast and easily. The unique aspects of this system come from using chaotic system also different entropy sources such as radio frequency (RF), temperature as an entropy source, using different entropy sources by mixing each other, selecting different last processing algorithm. At the last stage, Rucklidge, Chen and Zhongtang chaotic systems based TRNGs have been designed and implemented using CCTS and MCCP. TRNGs realized has been subjected to NIST-800-22 statistical tests. Chen and Zhongtang chaotic system based TRNGs have passed successfully to NIST statistical tests. Keywords: True Random Number Generator, Statistical Randomness Tests, NIST Statistical Tests, Chaos, Continuous-time Chaotic Systems, Microcontroller