bakalářská práce

Generátor šumu pro zamezení prostorového odposlechu

Text práce 5.69 MB Příloha 45.56 MB

Autor práce: Oliver Kapusta

Ak. rok: 2025/2026

Vedoucí: Ing. Pavel Hanák, Ph.D.

Oponent: Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Abstrakt:

Práca sa zameriava na návrh a experimentálne overenie generátora bieleho audio šumu využívajúceho kryptograficky bezpečný zdroj náhodnosti. Bol realizovaný TRNG modul s podporou kontinuálnych testov a zberom dát, na základe ktorých bolo získaných 2 GB náhodných bitov. Tieto výstupy boli podrobené testovaniu pomocou Dieharder, NIST SP 800-22 a NIST SP 800-90B s cieľom overiť kvalitu generovanej náhodnosti. Súčasťou práce bol návrh elektronického riešenia integrujúceho TRNG, mikrokontrolér a audio výstup. Pre účely akustickej časti prebehlo meranie viacerých piezoelektrických a membránových meničov, pri ktorom bola analyzovaná  ich schopnosť generovať širokopásmový šum. Výsledkom praktickej časti je prototyp generátora bieleho šumu s overenou kryptografickou kvalitou, validovanou spektrálnou charakteristikou a experimentálne vyhodnotenými vlastnosťami viacerých typov reproduktorov, vhodný pre aplikácie akustického maskovania.

Klíčová slova:

Generátor bieleho šumu, Akustické maskovanie, Ochrana proti odposluchu, Kryptografická entropia, NIST SP 800-90B, TRNG (generátor skutočne náhodných čísel), I2S zbernica, Doska plošných spojov, Piezoelektrické reproduktory

Termín obhajoby

16.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaCznamka

Klasifikace

C

Průběh obhajoby

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil bakalářskou práci s výhradami a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky: 1) Jak byste správně řešil současný nebo časově vyvážený přenos audio dat do obou I2S zesilovačů? 2) Proč jste nepoužil pro generování náhodného čísla některou z metod uvednou v teoretickém úvodu, např. ChaCha20? Případně proč jste nevyužil na TRNG z STM32 přímo, pro generování všech audio vzorků? 3) Jaké je praktické využití vč. modelového nasazení? 4) Jaká je účinost pro využití na hůře dostupných optických kabelech např. v podlaze?

Jazyk práce

slovenština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Informační bezpečnost (BPC-IBE)

Složení komise

doc. Ing. Jan Jeřábek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ivo Lattenberg, Ph.D. (místopředseda)
Mgr. Martin Erlebach (člen)
Ing. Eva Holasová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Ilgner, Ph.D. (člen)
Ing. Kryštof Zeman, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Rusz, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Pavel Hanák, Ph.D.

Pan Kapusta si vybral poměrně náročné zadání, ve kterém měl provést měření vhodnosti elektroakustických měničů pro rozvibrování optických vláken a k tomuto účelu sestrojit nejméně 3 kusy generátorů audio šumu. To zahrnovalo výběr TRNG, analýzu jeho entropie, návrh a realizaci desky plošných spojů, mechanické konstrukce i firmwaru. Zadání téměř celé splnil, avšak podcenil náročnost realizace, především pájení součástek. Přestože jsem s téměř měsíčním předstihem nakoupil materiál pro výrobu 5 kusů generátoru, nakonec je plně funkční jen jeden z nich. Text práce proto student dopisoval těsně před odevzdáním, což se též negativně projevilo na jeho kvalitě. Konzultace sice byly pravidelné, ale jen občas efektivní. Zvláště u návrhu zapojení a desky bylo zřejmé, že student problematice nerozumí a dokola opakoval některé chyby. I po 5 či 6 iteracích na desce zůstaly chyby, které však naštěstí šlo dodatečně opravit. Podobnou zkušenost měl i prof. Münster a Ing. Bukovský, u kterých student prováděl měření na optických vláknech. Z těchto důvodů BP navrhuji hodnotit stupněm C. Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 75

Známka navržená vedoucím: C

Student se v práci zabýval návrhem generátoru bílého audio šumu pro akustické maskování a omezení prostorového odposlechu pomocí optických vláken. Zadání bylo poměrně náročné, protože spojovalo kryptograficky kvalitní zdroj náhodnosti, digitální audio, výkonové zesilovače, návrh DPS, mechanickou konstrukci a experimentální měření měničů. Je třeba ocenit rozsah praktické práce, návrh vlastní DPS, osazení prototypů a provedení měření piezoelektrických i membránových měničů.

Práce však obsahuje technické nedostatky. Výhradu mám ke generování finálního audio šumu. Autor sice testuje hardwarový TRNG mikrokontroléru STM32, ale výsledný audio signál je podle popisu generován pomocí xorshift32 seedovaného pouze 32bitovou hodnotou. xorshift32 není kryptograficky bezpečný PRNG a takové řešení nesplňuje požadavek na 128bitovou kryptografickou entropii finálního maskujícího signálu. Testy TRNG proto neprokazují bezpečnost celého generátoru.

Další nedostatky jsou ve schématu a DPS. Problematické je například zapojení indikačních LED, kde tranzistory LED prakticky zkratovávají. Zapojení má invertovanou logiku a při napájení z 12 V a odporu 1 kΩ teče při sepnutí tranzistoru zbytečný proud přibližně 12 mA, což je nevhodné i z hlediska ztrátového výkonu. Rizikové je také napájení 1,8V větve lineárním stabilizátorem přímo z 12 V bez dostatečného tepelného posouzení a nedostatečně zdůvodněný návrh výstupních LC filtrů pro konkrétní měniče.

Přestože bylo osazeno více desek, plně funkční je podle závěru práce pouze jeden kus, takže není přesvědčivě splněn požadavek na výrobu a ověření alespoň tří kusů generátoru.
Experimentální část s měniči je prakticky zajímavá, ale metodika vyhodnocení není vždy dostatečně vysvětlena. Není zcela jasné, zda použité „kanály“ měřicího systému skutečně odpovídají frekvenčním pásmům, prahování na 50 % maxima není zdůvodněno a část označená jako měření SNR ve skutečnosti standardní SNR nevyhodnocuje.
Po formální stránce je práce rozsáhlá, ale nevyrovnaná. Obsahuje duplicity, nepřesnosti, hůře čitelná schémata, jazykové chyby a věcné chyby v seznamu zkratek. Některá tvrzení, zejména v oblasti kryptografické bezpečnosti, jsou silnější, než odpovídá doloženým výsledkům.
Celkově student vykonal značné množství práce a dosáhl částečně funkčního prototypu. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení C / 70 bodů. Otázky k obhajobě:
  1. Jak byste správně řešil současný nebo časově vyvážený přenos audio dat do obou I2S zesilovačů?
  2. Proč jste nepoužil pro generování náhodného čísla některou z metod uvednou v teoretickém úvodu, např. ChaCha20? Případně proč jste nevyužil na TRNG z STM32 přímo, pro generování všech audio vzorků?
Výsledný počet bodů navržený oponentem: 70

Známka navržená oponentem: C

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová