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Real-Time TRNG Health Monitoring with Higher-Order Proportion Testing and Rotating Pattern Detection at 500 MHz on FPGA

यह शोध पत्र एक पूर्णतः पाइपलाइन्ड, 500 MHz FPGA-आधारित TRNG स्वास्थ्य निगरानी आर्किटेक्चर प्रस्तुत करता है जो मल्टी-बिट डिपेंडेंसी डिटेक्शन के लिए एक नवीन हायर-ऑर्डर एडेप्टिव प्रोपोर्शन टेस्ट और एक संसाधन-कुशल रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर को पेश करके रीयल-टाइम स्ट्रीमिंग प्राप्त करता है, जो सामूहिक रूप से NIST SP 800-90B मानकों के अनुरूप एक व्यापक तीन-स्तरीय रक्षा प्रणाली का निर्माण करते हैं।

मूल लेखक: Abbas Fadavi

प्रकाशित 2026-07-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Abbas Fadavi

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://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

कल्पना कीजिए कि आप एक हाई-स्टेक्स कैसीनो चला रहे हैं। आपके कैसीनो का सबसे महत्वपूर्ण उपकरण वह मशीन है जो यह तय करने के लिए वास्तव में रैंडम नंबर (जैसे पासे फेंकना) उत्पन्न करती है कि कौन जीतेगा। यदि यह मशीन धोखाधड़ी करने लगे, अटक जाए, या किसी हैकर द्वारा इसके साथ छेड़छाड़ की जाए, तो पूरा कैसीनो मुसीबत में पड़ सकता है।

यह पेपर उस मशीन के लिए एक सुपर-फास्ट, 24/7 सुरक्षा गार्ड पेश करता है, जिसे विशेष रूप से एक प्रकार के कंप्यूटर चिप जिसे FPGA कहा जाता है, के लिए बनाया गया है। यह कैसे काम करता है, यहाँ सरल भाषा में समझाया गया है:

समस्या: मशीन बीमार हो सकती है

यहाँ तक कि सबसे अच्छे रैंडम नंबर जेनरेटर भी समय के साथ "बीमार" हो सकते हैं।

एजिंग (Aging): पुराने पुर्जे अजीब व्यवहार करने लग सकते हैं।
पर्यावरण: गर्मी या वोल्टेज में बदलाव रैंडमनेस को बिगाड़ सकता है।
हैकिंग: एक बुरा व्यक्ति मशीन को एक अनुमानित पैटर्न (जैसे 01010101...) आउटपुट करने के लिए मजबूर करने की कोशिश कर सकता है ताकि वे अगले नंबर का अनुमान लगा सकें।

मानक सुरक्षा जांच (जिन्हें NIST टेस्ट कहा जाता है) बुनियादी स्वास्थ्य जांच की तरह हैं। वे स्पष्ट समस्याओं को देखते हैं, जैसे कि क्या मशीन बहुत अधिक बार "1" या "0" पर अटकी हुई है। लेकिन वे सूक्ष्म चालों को मिस कर देते हैं, जैसे कि यदि मशीन 0 और 1 के बीच पूरी तरह से बारी-बारी से चल रही है (जो एक बुनियादी जांच के लिए रैंडम दिखता है लेकिन वास्तव में अनुमानित है)।

समाधान: एक 3-लेयर सुरक्षा टीम

लेखक, अब्बास फदावी (Abbas Fadavi) ने एक नया सुरक्षा सिस्टम बनाया है जो 500 MHz पर चलता है। इसे समझने के लिए, यह सिस्टम हर सेकंड 500 मिलियन बार रैंडम नंबरों की जांच करता है। यह जांच के लिए मशीन को रोकता नहीं है; यह हर एक बिट को उड़ते हुए देखता है, जैसे कि एक हाई-स्पीड कैमरा।

यह सिस्टम 8 अलग-अलग परीक्षणों का उपयोग करता है जो तीन रक्षा परतों (layers) में व्यवस्थित हैं:

लेयर 1: "चिल्लाने वाला" डिटेक्टर (तत्काल दोष)

परीक्षण: रिपिटिशन काउंट टेस्ट (RCT)।
उपमा: कल्पना करें कि एक गार्ड कन्वेयर बेल्ट की निगरानी कर रहा है। यदि लगातार 21 बार एक ही बॉक्स दिखाई देता है, तो गार्ड तुरंत चिल्लाता है "रुको!"।
यह क्या पकड़ता है: यदि मशीन पूरी तरह से टूट जाती है और बस अनंत काल तक एक ही नंबर आउटपुट करती रहती है, तो यह इसे पलक झपकते ही पकड़ लेता है।

लेयर 2: "सांख्यिकीय जासूस" (छिपे हुए पैटर्न)

यही वह जगह है जहाँ यह पेपर अपने दो सबसे बड़े नवाचार पेश करता है। मानक गार्ड केवल एकल संख्याओं को देखते हैं। यह टीम संख्याओं के समूहों को देखती है।

नवाचार 1: हायर-ऑर्डर प्रोपोर्शन टेस्टिंग (HO-APT)
- उपमा: एक मानक गार्ड चेक करता है कि क्या आपके पास कॉइन टॉस में बहुत अधिक "हेड्स" या "टेल्स" हैं। लेकिन क्या होगा यदि सिक्के इस तरह से सेट किए गए हों कि वे हमेशा "हेड्स, टेल्स, हेड्स, टेल्स" आएं? एक मानक गार्ड 50% हेड्स और 50% टेल्स देखेगा और कहेगा, "सब ठीक है!"
- समाधान: यह नया गार्ड जोड़ों (हेड्स-टेल्स) और तिलुओं (हेड्स-टेल्स-हेड्स) को देखता है। यदि मशीन एक लूप में फंसी हुई है, तो यह गार्ड उस दोहराते हुए समूह को पहचान लेता है और सीटी बजा देता है, भले ही एकल संख्याएं ठीक दिख रही हों।
नवाचार 2: रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर
- उपमा: कल्पना करें कि एक सुरक्षा कैमरा जो केवल एक विशिष्ट प्रकार के चोर (जैसे लाल टोपी वाला आदमी) को देख सकता है। एक स्मार्ट चोर बस नीली टोपी पहनकर आसानी से निकल जाएगा।
- समाधान: यह नया कैमरा एक "रोटेटिंग" स्कैनर है। यह तेजी से हर संभव पैटर्न (16-बिट पैटर्न के लिए 65,536 विभिन्न संयोजन) के माध्यम से चक्रित होता है। यह एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में "लाल टोपी" की जांच करने में बिताता है, फिर "नीली टोपी", फिर "हरी टोपी", और इसी तरह।
- परिणाम: लगभग 67 मिलीसेकंड के भीतर, इसने हर एक संभव पैटर्न की जांच कर ली है। कोई भी अजीब पैटर्न जो एक हैकर इंजेक्ट करने की कोशिश करता है, यह स्कैनर उसे अंततः पकड़ ही लेगा।

लेयर 3: "स्वास्थ्य मॉनिटर" (बायस और कोरिलेशन)

परीक्षण: बायस एस्टिमेटर (Bias Estimator) और कोरिलेशन एस्टिमेटर (Correlation Estimator)।
उपमा: ये चेक करने के लिए हैं कि क्या सिक्का पक्षपाती (biased) है या क्या एक परिणाम का दूसरे पर प्रभाव पड़ता है (कोरिलेशन)। ये सुनिश्चित करते हैं कि नंबर "0" या "1" की ओर बहुत अधिक झुके हुए नहीं हैं और पिछला परिणाम भविष्य की भविष्यवाणी नहीं करता है।

परिणाम: तेज़ और कुशल

लेखक ने इस सिस्टम को एक Xilinx FPGA चिप पर बनाया है।

गति: यह 500 MHz पर चलता है (प्रति सेकंड 500 मिलियन बिट्स की जांच करता है)।
आकार: यह आश्चर्यजनक रूप से छोटा है, जो चिप के बहुत कम संसाधनों का उपयोग करता है (एक पूरी इमारत के बजाय एक छोटे सुरक्षा बूथ की तरह)।
शक्ति: यह बहुत कम बिजली का उपयोग करता है (लगभग 768 मिलीवाट)।

निचोड़

यह पेपर एक "थ्री-लेयर डिफेंस" सिस्टम पेश करता है जो वर्तमान मानकों की तुलना में बहुत अधिक स्मार्ट है।

यह तत्काल क्रैश को तुरंत पकड़ लेता है।
यह केवल एकल संख्याओं के बजाय संख्याओं के समूहों को देखकर छिपे हुए लूप को पकड़ता है।
यह चालाक हैकर्स को पकड़ता है जो उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले हर संभव पैटर्न के माध्यम से घूमता है।

लेखक का दावा है कि यह इतने उच्च स्तर की गति (500 MHz) पर डेटा स्ट्रीम को रोके बिना एक साथ यह सब करने वाला पहला सिस्टम है, जो इसे उन क्रिप्टोग्राफिक सिस्टम के लिए एक मजबूत ढाल बनाता है जिन्हें सुरक्षित रहने के लिए वास्तविक रैंडमनेस की आवश्यकता होती है।

तकनीकी सारांश: FPGA पर 500 MHz पर उच्च-क्रम आनुपातिक परीक्षण और रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्शन के साथ वास्तविक समय में TRNG स्वास्थ्य निगरानी

समस्या विवरण
ट्रू रैंडम नंबर जनरेटर (TRNGs) क्रिप्टोग्राफिक सुरक्षा के लिए आधारभूत हैं, फिर भी उनकी सांख्यिकीय गुणवत्ता पर्यावरणीय कारकों (तापमान, वोल्टेज), घटकों के पुराने होने (aging), और प्रतिकूल हस्तक्षेप से प्रभावित हो सकती है। जबकि NIST SP 800-90B मानक विशिष्ट स्वास्थ्य निगरानी परीक्षणों (रिपिटिशन काउंट टेस्ट और एडेप्टिव प्रोपोर्शन टेस्ट) को अनिवार्य करता है, मौजूदा समाधान जटिल सांख्यिकीय कमजोरियों, जैसे कि इंटर-बिट डिपेंडेंसी और पुनरावृत्ति वाले संरचनात्मक पैटर्न को संबोधित करने में विफल रहते हैं। इसके अलावा, वर्तमान हार्डवेयर कार्यान्वयन महत्वपूर्ण डेटा बफरिंग या संसाधन ओवरहेड के बिना उच्च क्लॉक फ्रीक्वेंसी (जैसे, 500 MHz) पर व्यापक, वास्तविक समय स्ट्रीमिंग मॉनिटरिंग करने में संघर्ष करते हैं।

कार्यप्रणाली
यह शोध पत्र एक पूर्णतः पाइपलाइन्ड, स्ट्रीमिंग स्वास्थ्य निगरानी आर्किटेक्चर का प्रस्ताव करता है जिसे एक FPGA (Xilinx xcku060) पर 2 ns क्लॉक पीरियड (500 MHz) पर कार्यान्वित किया गया है। सिस्टम वास्तविक समय में TRNG आउटपुट बिट्स को प्रोसेस करता है, जिसमें सभी आठ परीक्षण एक ही चक्र में एक सिंगल बिट स्ट्रीम पर समानांतर में संचालित होते हैं। आर्किटेक्चर को तीन रक्षात्मक परतों में व्यवस्थित किया गया है:

तत्काल दोष पहचान परत (Immediate Fault Detection Layer):
- रिपिटिशन काउंट टेस्ट (RCT): एक अनुक्रमिक काउंटर लगातार समान बिट की पुनरावृत्ति को ट्रैक करता है। यदि गणना एक सीमा ( $C_{RCT} = 21$ ) से अधिक हो जाती है, तो तुरंत विफलता घोषित कर दी जाती है। यह विनाशकारी एंट्रॉपी स्रोत विफलताओं के लिए सबसे तेज़ प्रतिक्रिया प्रदान करता है।
सांख्यिकीय वितरण परत (Statistical Distribution Layer):
- उच्च-क्रम एडेप्टिव प्रोपोर्शन टेस्ट (HO-APT): यह मानक NIST APT का एक नवीन विस्तार है। जबकि मानक APT एक स्लाइडिंग विंडो ( $W=512$ $W = 512$ ) के भीतर एकल-बिट वितरण का विश्लेषण करता है, HO-APT इसे $k$ $k$ -बिट टुपल्स (tuples) तक विस्तारित करता है। कार्यान्वयन में शामिल हैं:
  - APT-1: मानक 1-बिट टुपल विश्लेषण (NIST अनुपालन)।
  - APT-2: 2-बिट टुपल विश्लेषण (सैंपल स्पेस: 00, 01, 10, 11)।
  - APT-3: 3-बिट टुपल विश्लेषण (सैंपल स्पेस: 000 से 111)।
    ये परीक्षण इंटर-बिट डिपेंडेंसी (जैसे, 010101 जैसे बदलते पैटर्न) का पता लगाते हैं जो एकल-बिट परीक्षणों के लिए यूनिफॉर्म दिख सकते हैं लेकिन संरचनात्मक कमजोरी का संकेत देते हैं।
- बायस एस्टीमेटर (Bias Estimator): 0.5 की प्रायिकता से विचलन का पता लगाने के लिए एक स्लाइडिंग विंडो पर आउटपुट बिट्स के माध्य (mean) की गणना करता है।
- कोरिलेशन एस्टीमेटर (Correlation Estimator): उन घटनाओं की गिनती करता है जहाँ क्रमिक बिट्स समान होते हैं ( $b_i = b_{i+1}$ ), ताकि प्रथम-क्रम की रैखिक निर्भरता का पता लगाया जा सके।
संरचनात्मक पैटर्न परत (Structural Pattern Layer):
- पैटर्न डिटेक्टर: पूर्वनिर्धारित उच्च-जोखिम वाले पैटर्न (जैसे, 0s या 1s के लंबे रन, बदलते क्रम) की तुलना करने के लिए एक शिफ्ट रजिस्टर का उपयोग करने वाला एक स्टैटिक मॉड्यूल।
- रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर: एक नवीन टाइम-मल्टीप्लेक्सड तंत्र जो $L$ -बिट पैटर्न के संपूर्ण स्थान को स्कैन करता है (विशेष रूप से $L=16$ , जो $2^{16} = 65,536$ पैटर्न को कवर करता है)। सभी पैटर्न को एक साथ जांचने के बजाय, यह समय के साथ उनके माध्यम से रोटेट करता है। प्रत्येक पैटर्न के लिए 512 सैंपल की विंडो के साथ, 16-बिट स्पेस का पूर्ण कवरेज लगभग 67 मिलीसेकंड में प्राप्त किया जाता है।

प्रमुख योगदान
शोध पत्र दो प्राथमिक तकनीकी योगदानों की पहचान करता है:

HO-APT परिवार: एडेप्टिव प्रोपोर्शन टेस्ट का मल्टी-बिट टुपल्स (APT-2 और APT-3) में सामान्यीकरण, जो गैर-रैखिक इंटर-बिट डिपेंडेंसी का पता लगाने में सक्षम है जो मानक NIST परीक्षणों के लिए अदृश्य हैं।
रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर: एक संसाधन-कुशल, टाइम-मल्टीप्लेक्सड आर्किटेक्चर जो स्ट्रीमिंग वातावरण में 16-बिट पैटर्न स्पेस का पूर्ण संरचनात्मक कवरेज प्राप्त करता है, जो स्टैटिक पैटर्न डिटेक्टरों की सीमाओं को संबोधित करता है जिन्हें गैर-लक्षित असामान्य पैटर्न द्वारा बायपास किया जा सकता है।

कार्यान्वयन परिणाम
आर्किटेक्चर को एक Xilinx xcku060 FPGA पर सिंथेसाइज और कार्यान्वित किया गया था:

टाइमिंग: डिज़ाइन 500 MHz पर टाइमिंग क्लोजर प्राप्त करता है जिसका वर्स्ट-केस नेगेटिव स्लैक (WNS) 0.9 ns है। क्रिटिकल पाथ रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर के भीतर स्थित है।
संसाधन उपयोग: डिज़ाइन मध्यम संसाधनों का उपभोग करता है, जिसमें कुल 98 लुक-अप टेबल (LUTs) और 340 रजिस्टर्स शामिल हैं। HO-APT मॉड्यूल और रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर लॉजिक रिसोर्सेज के मुख्य उपभोक्ता हैं।
पावर: पोस्ट-इम्प्लीमेंटेशन विश्लेषण 500 MHz पर 768 mW (141 mW डायनेमिक, 627 mW स्टैटिक) का कुल पावर कंजम्पशन दर्शाता है।
लेटेंसी (Latency): डिटेक्शन लेटेंसी परीक्षण के अनुसार भिन्न होती है। RCT और स्टैटिक पैटर्न डिटेक्टर सबसे कम लेटेंसी (तत्काल से 32 ns) प्रदान करते हैं। रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर, डिज़ाइन के अनुसार, उच्चतम लेटेंसी (~67 ms) रखता है, जो व्यापक कवरेज के लिए गति का त्याग करता है।

महत्व और दावे
लेखक दावा करते हैं कि यह कार्य NIST SP 800-90B आवश्यकताओं का एक "स्ट्रिक्ट सुपरसेट" (strict superset) प्रदान करता है, जो तत्काल दोषों, सांख्यिकीय वितरण विसंगतियों और संरचनात्मक पैटर्न को कवर करने के लिए एक तीन-स्तरीय रक्षा रणनीति प्रदान करता है। इसका महत्व इस क्षमता में निहित है कि यह बिना डेटा बफरिंग के 500 MHz पर व्यापक, वास्तविक समय की निगरानी कर सकता है, जो मौजूदा स्ट्रीमिंग मॉनिटर्स में अनुपलब्ध है।

शोध पत्र का दावा है कि प्रस्तावित आर्किटेक्चर निम्नलिखित के विरुद्ध सिस्टम लचीलेपन (resilience) को बढ़ाता है:

धीरे-धीरे बायस ड्रिफ्ट (bias drift) पैदा करने वाले साइड-चैनल हमले।
पहचाने योग्य पैटर्न पेश करने वाले आवधिक दोष इंजेक्शन (periodic fault injections)।
एंट्रॉपी में कमी लाने वाली घटकों की क्रमिक गिरावट।

लेखक सीमाओं को स्वीकार करते हैं, विशेष रूप से रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टर के लिए ~67 ms का कवरेज समय (जो कुछ वास्तविक समय अनुप्रयोगों के लिए बहुत धीमा हो सकता है) और एडेप्टिव थ्रेशोल्ड के बजाय फिक्स्ड थ्रेशोल्ड का उपयोग। वे भविष्य के कार्य के रूप में रोटेटिंग पैटर्न डिटेक्टरों को पैरेललाइज करने या डायनेमिक थ्रेशोल्ड एडजस्टमेंट लागू करने का सुझाव देते हैं।