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External entropy supply for IoT devices employing a RISC-V Trusted Execution Environment

यह शोध पत्र एक ओपन-सोर्स RISC-V-आधारित विश्वसनीय निष्पादन वातावरण (Trusted Execution Environment) का प्रस्ताव और सत्यापन करता है जो एक बाहरी एंट्रॉपी सेवा के रूप में कार्य करता है, जो प्रारंभिक विश्वास का लाभ उठाकर और संभावित रूप से अतिरिक्त सेंसर-आधारित एंट्रॉपी स्रोतों के साथ विस्तार करके, सीमित IoT उपकरणों को क्रिप्टोग्राफिक कुंजी पीढ़ी के लिए उच्च गुणवत्ता वाली यादृच्छिक संख्याएं सुरक्षित रूप से प्राप्त करने में सक्षम बनाता है।

मूल लेखक: Arttu Paju, Alejandro Cabrera Aldaya, Nicola Tuveri, Juha Savimäki, Marko Kivikangas, Brian McGillion

प्रकाशित 2026-03-11

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Arttu Paju, Alejandro Cabrera Aldaya, Nicola Tuveri, Juha Savimäki, Marko Kivikangas, Brian McGillion

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

यहाँ सरल भाषा और रचनात्मक उपमाओं (analogies) का उपयोग करके शोध पत्र (paper) का विवरण दिया गया है।

समस्या: "बोरिंग" IoT डिवाइस

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक शहर में बिखरे हुए ढेर सारे छोटे, सस्ते स्मार्ट डिवाइस हैं (जैसे स्मार्ट थर्मोस्टेट या सेंसर)। इन डिवाइसों को सुरक्षित रहने के लिए गुप्त संदेश भेजने की आवश्यकता होती है। एक गुप्त कोड (क्रिप्टोग्राफिक की/key) बनाने के लिए, उन्हें एन्ट्रॉपी (entropy) की आवश्यकता होती है—जो कि सच्ची रैंडमनेस (true randomness) के लिए एक फैंसी शब्द है।

एन्ट्रॉपी को ताश के पत्तों को फेंटने (shuffling) की तरह समझें। यदि आप अच्छी तरह से फेंटते हैं, तो क्रम अप्रत्याशित होता है। यदि आप खराब तरीके से फेंटते हैं, तो पत्तों का एक अनुमानित पैटर्न बन सकता है, और एक हैकर अगले पत्ते का अनुमान लगा सकता है।

चुनौती: ये छोटे IoT डिवाइस बहुत छोटे हाथों वाले बच्चों की तरह हैं। उनके पास पर्याप्त "मांसपेशियां" (कंप्यूटिंग पावर) या "सेंसर" (जैसे माइक्रोफोन या कैमरा) नहीं हैं ताकि वे अपने आप ताश के पत्तों को अच्छी तरह से फेंट सकें। वे "एन्ट्रॉपी की कमी" (entropy starved) से जूझ रहे हैं। यदि वे खुद से रैंडम नंबर बनाने की कोशिश करते हैं, तो वे अनजाने में एक अनुमानित पैटर्न बना सकते हैं, जिससे उनके रहस्य हैकर्स द्वारा चुराए जाने के लिए खुले रह जाते हैं।

समाधान: "रैंडमनेस बैंक" (The Randomness Bank)

इस शोध पत्र के लेखक एक समाधान प्रस्तावित करते हैं जिसे एन्ट्रॉपी एज़ अ सर्विस (EaaS) कहा जाता है।

एक रैंडमनेस बैंक की कल्पना करें।

IoT डिवाइस: ये वे ग्राहक हैं जिन्हें नकदी (रैंडम नंबर) की आवश्यकता है लेकिन उनके पास इसे रखने के लिए कोई तिजोरी नहीं है।
सर्वर (बैंक): एक सामान्य सर्वर के बजाय, यह एक ट्रस्टेड एक्जीक्यूशन एनवायरनमेंट (TEE) है। इसे बैंक के अंदर एक हाई-टेक, बुलेटप्रूफ तिजोरी के रूप में सोचें। भले ही बैंक मैनेजर (सर्वर ऑपरेटर) बुरा हो या चोरी करने की कोशिश करे, तिजोरी इतनी सुरक्षित है कि कोई भी इसके अंदर झाँक नहीं सकता या जो कुछ भी हो रहा है उसमें छेड़छाड़ नहीं कर सकता।

यह कैसे काम करता है: सुरक्षित डिलीवरी

यहाँ वह चरण-दर-चरण प्रक्रिया दी गई है कि कैसे एक छोटा डिवाइस अपनी रैंडमनेस प्राप्त करता है:

अनुरोध (The Request): एक छोटा IoT डिवाइस (ग्राहक) बैंक को अनुरोध भेजता है: "मुझे 100 रैंडम नंबर चाहिए, कृपया!" वह इस अनुरोध पर अपने आईडी कार्ड के साथ हस्ताक्षर करता है ताकि बैंक को पता चल सके कि कौन पूछ रहा है।
तिजोरी (The Vault - TEE): अनुरोध बुलेटप्रूफ तिजोरी (TEE) के अंदर जाता है। इस तिजोरी के भीतर, सर्वर विभिन्न स्रोतों (जैसे अन्य सेंसर या हार्डवेयर शोर) से "ताज़ा" रैंडमनेस इकट्ठा करता है। वे उन्हें एक सुपर-रैंडम बैच बनाने के लिए आपस में मिला देते हैं।
प्रमाण (The Proof): तिजोरी केवल नंबरों को सौंप नहीं देती। यह नंबरों को एक लॉक किए गए बॉक्स में रखती है, बॉक्स पर डिजिटल सील के साथ हस्ताक्षर करती है, और कहती है, "मैं वादा करती हूँ कि ये नंबर ताज़ा हैं और मेरी सुरक्षित तिजोरी के अंदर से आए हैं।"
डिलीवरी (The Delivery): बॉक्स वापस IoT डिवाइस को भेजा जाता है। डिवाइस सील की जाँच करता है। यदि सील वैध है, तो वह बॉक्स खोलता है और अपने गुप्त की (keys) बनाने के लिए रैंडम नंबरों का उपयोग करता है।

यह क्यों विशेष है: "RISC-V" इंजन

यह शोध पत्र एक विशिष्ट प्रकार के कंप्यूटर चिप आर्किटेक्चर का उपयोग करता है जिसे RISC-V कहा जाता है।

उपमा: RISC-V को लेगो (Lego) के रूप में समझें। अन्य चिप्स के विपरीत जो पहले से बने, सीलबंद प्लास्टिक खिलौनों की तरह हैं, RISC-V लेगो ब्रिक्स के एक खुले बॉक्स की तरह है। कोई भी इसका उपयोग करके अपना कस्टम प्रोसेसर बना सकता है।
लेखकों ने इन ओपन लेगो ब्रिक्स का उपयोग करके अपनी "बुलेटप्रूफ तिजोरी" (TEE) बनाई है। यह एक बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि सुरक्षा कोई "ब्लैक बॉक्स" नहीं है जिसे किसी गुप्त कंपनी ने बनाया है; यह सभी के निरीक्षण के लिए खुला है, जो इसे अधिक विश्वसनीय बनाता है।

"बिना बिचौलिए" का विश्वास

आमतौर पर, जब आप किसी सर्वर पर भरोसा करते हैं, तो आपको उसे चलाने वाली कंपनी पर भरोसा करना होता है। लेकिन यहाँ, लेखक रिमोट अटैस्टेशन (Remote Attestation) का उपयोग करते हैं।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप किसी रेस्टोरेंट से खाना ऑर्डर कर रहे हैं। आमतौर पर, आपको शेफ पर भरोसा करना पड़ता है। लेकिन इस सिस्टम में, रेस्टोरेंट आपको खाना खाने से पहले रसोई का एक लाइव वीडियो फीड देता है। आप देख सकते हैं कि शेफ सामग्री कैसे डाल रहा है।
शोध पत्र में, IoT डिवाइस को एक डिजिटल "वीडियो फीड" (एक क्रिप्टोग्राफिक प्रमाण) मिलता है जो यह साबित करता है कि सर्वर वास्तव में सुरक्षित तिजोरी का उपयोग कर रहा है और उसे हैक नहीं किया गया है। यह सर्वर ऑपरेटर पर अंधे होकर भरोसा करने की आवश्यकता को समाप्त कर देता है।

परिणाम

टीम ने इस हार्डवेयर को सिम्युलेट करने वाले सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एक वर्किंग प्रोटोटाइप ("प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट") बनाया। उन्होंने दिखाया कि:

छोटे डिवाइस केंद्रीय सर्वर से उच्च गुणवत्ता वाली रैंडमनेस प्राप्त कर सकते हैं।
सर्वर इतना सुरक्षित है कि यदि सर्वर का मालिक दुर्भावनापूर्ण (malicious) भी हो, तो भी रैंडमनेस सुरक्षित रहती है।
यह सिस्टम ओपन-सोर्स टूल्स पर बना है, जो इसे इंटरनेट ऑफ थिंग्स के भविष्य के लिए सस्ता और सुलभ बनाता है।

संक्षेप में

छोटे डिवाइस अपने स्वयं के गुप्त कोड बनाने के लिए बहुत कमजोर हैं। यह शोध पत्र एक सुरक्षित, ओपन-सोर्स "रैंडमनेस बैंक" बनाता है जहाँ ये डिवाइस उच्च-गुणवत्ता वाली रैंडमनेस उधार ले सकते हैं। बैंक इतना सुरक्षित है (TEE और RISC-V तकनीक के कारण) कि डिवाइस बैंक चलाने वाले व्यक्ति पर भरोसा किए बिना उस रैंडमनेस पर भरोसा कर सकते हैं।

यहाँ शोध पत्र "External entropy supply for IoT devices employing a RISC-V Trusted Execution Environment" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

सीमित IoT उपकरणों में एंट्रॉपी की कमी (Entropy Starvation):
सुरक्षित क्रिप्टोग्राफिक ऑपरेशन्स (कुंजी जनरेशन, एन्क्रिप्शन, ऑथेंटिकेशन) के लिए उच्च गुणवत्ता वाली, अप्रत्याशित रैंडमनेस (एंट्रॉपी) की आवश्यकता होती है। हालाँकि, कई संसाधन-सीमित इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) उपकरणों में पर्याप्त एंट्रॉपी स्थानीय रूप से उत्पन्न करने के लिए हार्डवेयर या कम्प्यूटेशनल संसाधन नहीं होते हैं।

जोखिम: एंट्रॉपी की कमी से क्रिप्टोग्राफिक आउटपुट अनुमानित (predictable) हो जाता है, जिससे कुंजी की सुरक्षा खतरे में पड़ जाती है और हमले संभव हो जाते हैं।
मौजूदा समाधानों की सीमाएँ:
- लोकल TRNGs: कम लागत वाले उपकरणों में अक्सर अनुपस्थित या दोषपूर्ण होते हैं।
- एनवायर्नमेंटल सेंसर्स: हमलावरों द्वारा हेरफेर किए जा सकते हैं या उनमें पर्याप्त अनिश्चितता की कमी हो सकती है।
- प्री-इंस्टॉल्ड कीज़ (Keys): सुरक्षित रहने के लिए नई एंट्रॉपी के साथ समय-समय पर री-सीडिंग की आवश्यकता होती है, जो सीमित उपकरण अकेले नहीं कर सकते।
- सॉफ्टवेयर एक्सट्रैक्टर्स: कम शक्ति वाले उपकरणों के लिए कम्प्यूटेशनल रूप से महंगे होते हैं।
अंतराल (The Gap): एक विश्वसनीय तीसरे पक्ष (TTP) पर निर्भर हुए बिना, IoT उपकरणों के बेड़े को बाहरी एंट्रॉपी प्रदान करने के लिए एक स्केलेबल और सुरक्षित विधि की आवश्यकता है, जिसे समझौता किया जा सके।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक एक Entropy as a Service (EaaS) आर्किटेक्चर का प्रस्ताव करते हैं जो RISC-V प्लेटफॉर्म पर आधारित एक Trusted Execution Environment (TEE) द्वारा समर्थित है। यह समाधान एक TTP की आवश्यकता को हटा देता है और विश्वास को TEE के हार्डवेयर-प्रवर्तित अलगाव (isolation) पर केंद्रित करता है।

मुख्य आर्किटेक्चर घटक (Core Architecture Components)

हार्डवेयर प्लेटफॉर्म (SPIRS):
- RISC-V आर्किटेक्चर (विशेष रूप से CORE-V CVA6 कोर) पर आधारित।
- इसमें एक हार्डवेयर Root of Trust (RoT) शामिल है जिसमें एक फिजिकल अनक्लोनेबल फंक्शन (PUF) और रिंग ऑसिलेटर्स पर आधारित True Random Number Generator (TRNG) है।
- यह AES-256, SHA-256 और डिजिटल सिग्नेचर एक्सेलेरेशन प्रदान करता है।
सॉफ्टवेयर स्टैक (SPIRS TEE SDK):
- यह ओपन-सोर्स Keystone फ्रेमवर्क के एक फोर्क पर निर्मित है।
- इसमें एक Security Monitor (SM) शामिल है जो मशीन मोड (M-mode) में चलता है, जो मेमोरी प्रोटेक्शन (PMP) को प्रबंधित करता है और अनट्रस्टेड (untrusted) एवं ट्रस्टेड एनवायरनमेंट के बीच एक्सेस को नियंत्रित करता है।
- यह TEE एनक्लेव के भीतर चलने वाले Trusted Applications (TAs) और अनट्रस्टेड लिनक्स यूजर स्पेस में चलने वाले Client Applications (CAs) का समर्थन करता है।
EaaS प्रोटोकॉल:
- अभिनेता (Actors):
  - IoT क्लाइंट: एक सीमित उपकरण जो एंट्रॉपी का अनुरोध करता है।
  - Trusted Execution Server (TES): एक सर्वर जो RISC-V TEE के भीतर EaaS लॉजिक चलाता है।
  - एंट्रॉपी स्रोत (Entropy Sources): एंट्रॉपी के कच्चे डेटा (raw entropy) को TES तक पहुँचाने वाले IoT उपकरणों (या अन्य सेंसरों) का एक बेड़ा।
- कार्यप्रवाह (Workflow):
  1. इनिशियलाइजेशन (Initialization): IoT क्लाइंट के पास TES की प्री-प्रोविजन्ड पब्लिक की और अपनी स्वयं की की-पेयर होती है।
  2. अनुरोध (Request): क्लाइंट एक एन्क्रिप्टेड HTTP अनुरोध भेजता है जिसमें टाइमस्टैम्प ( $t_1$ ), उसकी पब्लिक की ( $pk_{IoT}$ ), अनुरोधित एंट्रॉपी की मात्रा ( $\Delta S$ ), और एक सेल्फ-साइंड सिग्नेचर ( $\sigma_1$ ) होता है।
  3. प्रोसेसिंग (TEE के भीतर):
    - TES अनुरोध के सिग्नेचर को सत्यापित करता है।
    - यह जुड़े हुए एंट्रॉपी स्रोतों से कच्ची एंट्रॉपी ( $\Delta S_1, \Delta S_2$ ) प्राप्त करता है।
    - यह इस एंट्रॉपी को एक मजबूत रैंडम वैल्यू ( $S$ ) में संयोजित करता है।
    - यह एक सिमेट्रिक सेशन की ($sksession $) और एक नया टाइमस्टैम्प ($ t_2$) जनरेट करता है।
    - यह सेशन की को क्लाइंट की पब्लिक की के साथ एन्क्रिप्ट करता है।
    - यह एंट्रॉपी पेलोड ( $S$ ) और टाइमस्टैम्प ( $t_2$ ) को सेशन की का उपयोग करके एन्क्रिप्ट करता है।
    - यह पूरे रिस्पॉन्स को अपनी प्राइवेट की ( $sk_{TES}$ ) के साथ साइन करता है।
  4. रिस्पॉन्स (Response): क्लाइंट एन्क्रिप्टेड पेलोड और सिग्नेचर प्राप्त करता है। वह सेशन की को डिक्रिप्ट करता है, सिग्नेचर को सत्यापित करता है, ताज़गी (freshness - $t_2 > t_1$ ) की जाँच करता है, और एंट्रॉपी निकालता है।

सुरक्षा तंत्र (Security Mechanisms)

कोई TTP नहीं: विश्वास, सर्वर ऑपरेटर के बजाय RISC-V TEE हार्डवेयर और रिमोट अटैस्टेशन से प्राप्त होता है।
रिमोट अटैस्टेशन (Remote Attestation): विश्वास स्थापित करने से पहले TES के हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर स्थिति की अखंडता को सत्यापित करने के लिए चैलेंज/रिस्पॉन्स मैकेनिज्म का उपयोग करता है।
थ्रॉटलिंग (Throttling): DoS हमलों के माध्यम से एंट्रॉपी की कमी को रोकने के लिए TES में रेट लिमिटिंग लागू की गई है।
हाइब्रिड क्रिप्टोग्राफी (Hybrid Cryptography): की-एक्सचेंज/सिग्नेचर के लिए RSA-3072 और पेलोड एन्क्रिप्शन के लिए AES-128 का उपयोग किया जाता है ताकि पब्लिक की साइज की सीमाओं को पार किया जा सके।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

SPIRS TEE SDK: लेखकों ने RISC-V आधारित SPIRS प्लेटफॉर्म के लिए एक ओपन-सोर्स SDK डिजाइन, विकसित और प्रकाशित किया है। यह RISC-V TEEs के लिए Trusted Applications (TAs) के विकास को सक्षम बनाता है, जो इस आर्किटेक्चर के लिए ओपन-सोर्स टूलिंग की कमी को पूरा करता है।
EaaS कार्यान्वयन: उन्होंने एक कार्यात्मक EaaS Trusted Application को डिजाइन और कार्यान्वित किया है। यह एक प्रमाणित (attested) सर्वर से उच्च-गुणवत्ता वाली एंट्रॉपी प्राप्त करने के लिए एक व्यावहारिक विधि को प्रदर्शित करता है।
स्केलेबल एंट्रॉपी एग्रीगेशन: यह समाधान कई स्रोतों (जैसे अन्य IoT डिवाइस जिनमें सेंसर्स हों) से एंट्रॉपी को एकत्रित करने की अनुमति देता है, जिससे एक मजबूत एंट्रॉपी पूल बनता है।
ओपन-सोर्स रिलीज: संपूर्ण कोडबेस, जिसमें SDK और EaaS डेमो शामिल है, MIT लाइसेंस के तहत जारी किया गया है, जो पुनरुत्पादकता (reproducibility) और आगे के अनुसंधान को बढ़ावा देता है।

4. परिणाम (Results)

प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट: लेखकों ने सफलतापूर्वक QEMU वर्चुअल वातावरण (जो SPIRS हार्डवेयर का अनुकरण करता है) का उपयोग करके Ubuntu 22.04 मशीन पर EaaS प्रोटोकॉल को लागू किया।
कार्यक्षमता: सिस्टम ने पूर्ण जीवन चक्र को सफलतापूर्वक संभाला: प्रोविजनिंग, सिक्योर बूट, रिमोट अटैस्टेशन, रिक्वेस्ट हैंडलिंग, एंट्रॉपी जनरेशन और सुरक्षित डिलीवरी।
व्यवहार्यता (Feasibility): परिणाम पुष्टि करते हैं कि ओपन RISC-V प्लेटफॉर्म का उपयोग करके एक विश्वसनीय एंट्रॉपी इंफ्रास्ट्रक्चर बनाना संभव है।
पहचानी गई सीमाएँ:
- वर्तमान प्रोटोटाइप एक एकल TES पर निर्भर है (सिंगल पॉइंट ऑफ फेल्योर), हालांकि डिज़ाइन लोड बैलेंसिंग का समर्थन करता है।
- विकास QEMU पर किया गया था; OpenSSL को भौतिक SPIRS बोर्ड के विशिष्ट हार्डवेयर RoT के साथ मैप करने के लिए और कार्य की आवश्यकता है।
- वर्तमान सिस्टम SPIRS RoT के विशिष्ट PUF/TRNG कार्यान्वयन पर निर्भर है; यदि वह दोषपूर्ण है, तो EaaS आउटपुट भी समझौतापूर्ण होगा।
- पोस्ट-क्वांटम तैयारी: वर्तमान कार्यान्वयन RSA/AES का उपयोग करता है। लेखक "हार्वेस्ट-नाउ-डिक्रिप्ट-लेटर" हमलों से बचने के लिए भविष्य के डिप्लॉयमेंट में पोस्ट-क्वांटम क्रिप्टोग्राफी (PQC) माइग्रेशन की आवश्यकता बताते हैं।

5. महत्व (Significance)

एक महत्वपूर्ण IoT भेद्यता का समाधान: यह कार्य एक स्केलेबल, नेटवर्क-आधारित समाधान के माध्यम से IoT सुरक्षा की एक मौलिक कमजोरी (एंट्रॉपी स्टार्वेशन) को संबोधित करता है।
विश्वास का विकेंद्रीकरण: TEE का लाभ उठाकर, यह समाधान एक केंद्रीय प्राधिकरण (TTP) की आवश्यकता को समाप्त करता है जिस पर उपयोगकर्ताओं को आँख मूंदकर भरोसा करना पड़े। विश्वास सर्वर के सत्यापन योग्य हार्डवेयर गुणों पर आधारित है।
RISC-V सुरक्षा को आगे बढ़ाना: यह शोध पत्र एक ठोस उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे ओपन-सोर्स RISC-V हार्डवेयर का उपयोग सुरक्षित, उच्च-आश्वासन प्रणालियों के निर्माण के लिए किया जा सकता है।
भविष्य की अनुसंधान दिशा: यह पेपर EaaS को "रैंडमनेस बीकन" के एक विशिष्ट और मूल्यवान विकल्प के रूप में रेखांकित करता है, जो IoT बेड़े के लिए चयनात्मक वितरण, आपसी प्रमाणीकरण और ताज़गी (freshness) की गारंटी प्रदान करता है।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक RISC-V-आधारित TEE सीमित IoT उपकरणों के लिए एक सुरक्षित, बाहरी एंट्रॉपी प्रदाता के रूप में प्रभावी ढंग से कार्य कर सकता है, जिससे प्रत्येक डिवाइस पर उच्च-गुणवत्ता वाले स्थानीय एंट्रॉपी स्रोतों की आवश्यकता के बिना क्रिप्टोग्राफिक सुरक्षा सुनिश्चित होती है।