DE102008033162A1

DE102008033162A1 - Physical random number generator

Info

Publication number: DE102008033162A1
Application number: DE200810033162
Authority: DE
Inventors: Rolf Jentzsch
Original assignee: GOLETZ THOMAS; Goletz Thomas Dipl-Ing
Current assignee: FEUSTEL, DIETMAR, DE; JENTZSCH, ROLF, DE; TOPF, BIRGIT, DE
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-01-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von physikalischen Zufallszahlen, wobei sich echte Zufallszahlen sehr effizient darstellen lassen. Die Erzeugung basiert auf dem Vergleich zweier Ereignisse (f_(Q1), F_(Q2) von mindestens zwei voneinander unabhängigen physikalischen Ereignisgebern. Wesentlich dabei ist, dass das erste physikalische Ereignis zwei zeitlich gleich verteilte, aber unterschiedliche Zustände aufweist. Das zweite physikalische Ereignis muss wiederum zwei zeitlich nicht gleich verteilte Zustände aufweisen. Dann wird aus dem zweiten Ereignis der Zufall gewonnen und auf dem ersten Ereignis der Zufall abgebildet, und zwar dadurch, dass festgestellt wird, ob bei dem ersten Ereignis ein im Wesentlichen erster oder zweiter Zustand vorliegt, wenn bei dem zweiten Ereignis ein im Wesentlichen erster oder zweiter Zustand vorliegt.The present invention relates to a method and apparatus for generating random physical numbers whereby true random numbers can be represented very efficiently. The generation is based on the comparison of two events (f _(Q1) , F _(Q2) of at least two independent physical event generators.) The essential thing is that the first physical event has two identical but different states Then, the second event retrieves the random and maps the random on the first event by determining whether the first event has a substantially first or second state when in the second event, there is a substantially first or second state.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von physikalischen Zufallszahlen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11.The The present invention relates to a method and an apparatus for the generation of physical random numbers according to the generic terms of claims 1 and 11.

Zufallszahlen sind heutzutage vielfältig notwendig. Für die Erzeugung von Zufallszahlen gibt es viele verschiedene Methoden, die Zufallszahlen mehr oder weniger hoher Qualität zu erzeugen im Stande sind. Während jedoch für viele Verfahren qualitativ hochwertige, d. h. echte Zufallszahlen nicht notwendig, oder gar schädlich sind (z. B. bei Spielautomaten, wo die Bank zu einem bestimmten Prozentsatz gewinnen soll), sind für einige Verfahren echte Zufallszahlen erforderlich, z. B. für Verfahren der Kryptographie, Statistik, Simulation und Randomisierung.random numbers are necessary in many ways today. For the Generating random numbers there are many different methods to generate the random numbers more or less high quality are able. However, while qualitative for many procedures high quality, d. H. real random numbers not necessary, or even are harmful (such as slot machines, where the bank too to win a certain percentage) are for some Procedure requires true random numbers, e.g. For procedures cryptography, statistics, simulation and randomization.

Beispielsweise ist zur Sicherstellung eines hochwertigen (d. h. nicht unauthorisiert entschlüsselbaren) Chiffrierverfahrens die Verwendung von echten Zufallszahlen unabdingbare Voraussetzung. Eine echte Zufallszahl oder in anderen Worten jedes erzeugte Bit weist eine Wahrscheinlichkeit von 0,5 auf. Damit ist sichergestellt, dass kein Bit im Voraus berechnet werden kann, auch dann nicht wenn die Vorgänger-Bits bekannt sind. Umgekehrt dürfen sich auch nicht die Vorgänger-Bits berechnen lassen, wenn alle Nachfolger-Bits bekannt sind.For example is to ensure a high quality (ie not unauthorized decipherable) enciphering the use of true random numbers indispensable requirement. A real random number or in other words each generated bit has a probability from 0.5 to. This ensures that no bit is calculated in advance can not, even if the predecessor bits known are. Conversely, not even the predecessor bits calculate if all successor bits are known.

Solche echten Zufallszahlen lassen sich allerdings nicht mit mathematischen Verfahren erzeugen, sondern nur durch einen natürlichen Prozess, durch den so genannte physikalische Zufallszahlen erzeugt werden.Such true random numbers can not, however, be mathematical Produce method, but only by a natural Process, generated by the so-called physical random numbers become.

Neben der Wahrscheinlichkeit einer erzeugten Zufallszahl besteht eine weitere wichtige Größe in der Entropie der erzeugten binären Zahlenfolgen. Für die Entropie gilt nach Shannon: H = –(plog2p + qlog2q) und H = 1 In addition to the probability of a generated random number, there is another important quantity in the entropy of the generated binary number sequences. For entropy, according to Shannon: H = - (plog 2 p + qlog 2 q) and H = 1

Da allerdings im Allgemeinen statistische Berechnungen der Entropie international uneinheitlich sind und auch teilweise kontrovers diskutiert werden, wird bei der vorliegenden Beurteilung der Qualität von Zufallszahlen nicht auf die Entropie, sondern auf die Anwendung bewährter mathematisch statistischer Tests, welche indirekt ebenfalls die Entropie einer binären Folge berücksichtigen, zurückgegriffen.There however, in general, statistical calculations of entropy internationally uneven and also partly controversial will be in the present assessment of quality of random numbers not on the entropy, but on the application proven mathematical statistical tests, which indirectly also consider the entropy of a binary sequence, resorted.

Die Basis für diese mathematischen Test, nämlich den Monobit-Test, den Poker-Test, den Run-Test und den Long Run-Test bildet: [FI 140-1] FIPS PUB 144-1, NIST, Security Requirement for Cryptographic Modules.The Basis for this mathematical test, namely the Monobit test, the poker test, the run test and the long run test forms: [FI 140-1] FIPS PUB 144-1, NIST, Security Requirement for Cryptographic Modules.

Für die Erzeugung physikalischer Zufallszahlen sind verschiedene Methoden bekannt, die jedoch bisher nicht bei vertretbarem Aufwand nahezu echte Zufallszahlen erzeugen können. Beispielsweise nutzt man analoge Rauschsignale zur Digitalisierung von zufälligen Bits. Dabei wird zur Ableitung zufälliger Bits eine Konstante c im Rauschspektrum fixiert. Man vergleicht dann den Messwert U zum Zeitpunkt t_n mit der Konstanten c (vgl. 1). Die Erzeugung eines Zufallsbits Z_i erfolgt nun dadurch, dass eine „1” zugewiesen wird, wenn die gemessene Spannung U_(tn) kleiner ist als c, und eine „0” wird zugewiesen, wenn gemessene Spannung U_(tn) größer oder gleich c ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass zum einen die erzeugten Bits zwar zufällig sind, jedoch nicht gleich verteilt. Es ist nämlich unmöglich, die Konstante c im statistischen Mittel eines Rauschsignals zu platzieren. Da deshalb die Wahrscheinlichkeiten beider Zufallsbits ungleich 0,5 sind, liegt auch die erzeugte Entropie wesentlich unter dem Wert 1 je Bit. Daher ist eine mathematische Nachbearbeitung der Bits notwendig.For the generation of physical random numbers, various methods are known, but so far can not produce almost real random numbers at a reasonable cost. For example, one uses analog noise signals for digitizing random bits. In this case, a constant c in the noise spectrum is fixed to derive random bits. One then compares the measured value U at the time t _n with the constant c (cf. 1 ). The generation of a random bit Z _i is now performed by assigning a "1" if the measured voltage U _{(tn) is} less than c, and _assigning a "0" if the measured voltage U _{(tn) is} greater than or equal to c is. However, a disadvantage of this method is that on the one hand the generated bits are random, but not evenly distributed. Namely, it is impossible to place the constant c in the statistical mean of a noise signal. Since the probabilities of both random bits are therefore not equal to 0.5, the entropy generated is also significantly below the value 1 per bit. Therefore, a mathematical post-processing of the bits is necessary.

Weiterhin bleibt das Rauschsignal durch Alterungsprozesse der elektronischen Bauelemente in seinen Parametern nicht konstant. Dadurch verschiebt sich die Konstante c relativ zum Signal und die Entropie nimmt ab. Aufwendige Kontroll- und Nachjustierarbeiten sind daher notwendig. Außerdem gehen äußere Einflüsse wie Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Versorgungsspannung usw. auf die elektronischen Bauelemente in die Messwerte ein, führen dabei jedoch nicht zu einer Erhöhung der Entropie. Schließlich ist über die Steuerung der äußeren Faktoren eine Manipulation der erzeugten Bits möglich.Farther the noise signal remains due to aging processes of the electronic Components not constant in its parameters. This shifts the constant c relative to the signal and the entropy decreases. Elaborate control and Nachjustierarbeiten are therefore necessary. In addition, external influences go such as temperature, humidity, air pressure, supply voltage etc. on the electronic components in the measured values, lead but not to an increase in entropy. After all is about controlling the external factors a manipulation of the generated bits possible.

Weitere bekannte Verfahren sind beschrieben in WO 97/43709 , US 4,855,690 und DE 101 18 495 C1 . Auch hier bestehen aber die prinzipiellen Nachteile, dass die erzeugten Zufallszahlen entweder keine nahezu echten Zufallszahlen sind und/oder die Erzeugung selbst uneffektiv ist.Other known methods are described in WO 97/43709 . US 4,855,690 and DE 101 18 495 C1 , Again, however, there are the principal disadvantages that the random numbers generated either are not nearly true random numbers and / or the generation itself is ineffective.

Aufgabe der vorliegenden Patentanmeldung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von physikalischen Zufallszahlen anzugeben, bei denen bei vertretbarem Aufwand echte Zufallszahlen sehr effektiv erzeug bar sind. Diese Aufgabe wir gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Unteransprüchen enthalten.task the present patent application is therefore a method and a device for generating physical random numbers indicate, where at reasonable cost true random numbers are very effective produce bar. This task is solved with the features of claims 1 and 11. Advantageous Further developments are in the respective dependent subclaims contain.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Generieren von physikalischen Zufallszahlen werden physikalische Ereignisse von mindestens zwei voneinander unabhängigen Ereignisgebern miteinander verglichen, wobei die physikalischen Ereignisse unterschiedliches zeitliches Verhalten aufweisen. Dabei weist das erste Ereignis zwei zeitlich gleich verteilte unterschiedliche Zustände high_(Q1) und low_(Q1) auf und das zweite Ereignis zwei zeitlich nicht gleich verteilte Zustände high_(Q2) und low_(Q2). Dann wird aus dem zweiten Ereignis der Zufall gewonnen und auf dem ersten Ereignis der Zufall abgebildet, und zwar dadurch dass festgestellt wird, ob bei dem ersten Ereignis ein im Wesentlichen erster oder zweiter Zustand vorliegt, wenn bei dem zweiten Ereignis ein im Wesentlichen erster oder zweiter Zustand vorliegt. Für das Vorliegen eines ersten oder zweiten Zustands bei dem ersten Ereignis wird ein vorher festgelegter Bit-Wert zugeordnet. Beispielsweise also für den ersten Zustand die „1” und für den zweiten Zustand die „0” oder umgekehrt.In the method according to the invention for generating physical random numbers, physical events of at least two independent event transmitters are compared with each other, wherein the physical events have different temporal behavior. The first event has two times equally distributed different states high _(Q1) and low _(Q1) and the second event two states not equally distributed high _(Q2) and low _(Q2) . Then, from the second event, the random is obtained and randomly mapped on the first event by determining whether the first event has a substantially first or second state, when in the second event a substantially first or second Condition exists. For the presence of a first or second state in the first event, a predetermined bit value is assigned. For example, for the first state the "1" and for the second state the "0" or vice versa.

Statt der Ermittlung eines Bits bei der Feststellung eines im Wesentlichen ersten Zustands des zweiten Ereignisses kann natürlich auch das Bit bei Vorliegen des zweiten Zustands bei dem zweiten Ereignis erzeugt werden. Oder alternativ kann sowohl beim ersten als auch beim zweiten Zustand des zweiten Ereignisses ein Bit erzeugt werden. Eine Reihe solcher Bits kann dann zu langen Zufallszahlen zusammengesetzt werden.Instead of the determination of a bit in the determination of a substantially first state of the second event can of course also the bit in the presence of the second state in the second Event are generated. Or alternatively, both at the first and generates a bit at the second state of the second event become. A series of such bits can then become long random numbers be assembled.

Die Erfinder gingen dabei von der Erkenntnis aus, dass zwei voneinander unabhängige physikalische Ereignisse niemals gleichzeitig in Erscheinung treten, auch wenn der zeitliche Unterschied noch so klein ist. Daher ist es besser, zwei unabhängige physikalische Ereignisse in Beziehung setzten, und nicht eine Variable mit einer Konstanten zu vergleichen.The Inventors started from the knowledge that two of each other independent physical events never at the same time appear, even if the difference in time still is so small. Therefore, it is better to have two independent physical ones Relate events, not a variable with one To compare constants.

Wichtig ist dabei, dass das erste physikalische Ereignis zwei zeitlich gleichartige, d. h. gleich verteilte, aber unterschiedliche Zustände aufweist, um überhaupt ein Bit verifizieren zu können. Diese Zustände müssen deshalb auch gleich verteilt sein, da erst dadurch Bits mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,5 erzeugt werden können. Das zweite physikalische Ereignis muss wiederum ein zeitlich unstetiges Verhalten zeigen, also zwei zeitlich nicht gleich verteilte Zustände aufweisen. Je größer dabei das unstetige Verhalten ist, umso besser ist es für die Qualität der Zufallszahlen, da der Zufall aus dem zweiten Ereignis gewonnen wird.Important is that the first physical event is two temporally similar, d. H. equally distributed, but different states to verify a bit at all. These states must therefore be equally distributed because only then bits with a probability of 0.5 can be generated. The second physical event must again show a temporally unsteady behavior, so two have states that are not equally distributed over time. ever bigger is the discontinuous behavior, all the more it is better for the quality of the random numbers, since chance is won from the second event.

Dadurch dass beide Ereignisse physikalischen Ursprungs sind, hat jede noch so geringfügige Änderung bekannter und unbekannter physikalischer Parameter eine Auswirkung auf den Zufall, wobei allerdings immer die Entropie des Zufalls erhöht wird, was bei bisherigen Verfahren nicht der Fall war. Die zu bestimmenden Parameter gehen dann sogar auf quantenmechanische Prozesse zurück und sind nicht mehr nachvollziehbar. Einwirkende äußere Faktoren erhöhen die Entropie zusätzlich.Thereby each has yet to be both events of physical origin so slight change known and unknown physical parameter has an effect on chance, however always the entropy of coincidence is increased, what with previous ones Procedure was not the case. The parameters to be determined go then even back to quantum mechanical processes and are not more comprehensible. Influential external factors increase the entropy additionally.

Aus der DE 101 18 495 C1 ist zwar auch schon der Vergleich von zwei Frequenzen bekannt, allerdings wird dort bei Feststellung eines minimalen Amplitudenwertes einer Schwingung immer erst einmal der Amplitudenwert der zweiten Schwingung ermittelt und erst bei Wechsel dieses Amplitudenwertes der zweiten Schwingung von einem anfänglich festgestellten Amplitudenwert zu einem entgegengesetzten Amplitudenwert wird ein Bit erzeugt. Somit ist dieses Verfahren wesentlich umständlicher und langsamer, somit uneffektiver als das erfindungsgemäße Verfahren. Außerdem weist keines der beiden Ereignisse, nämlich der Schwingungen, ein zeitlich unstetiges Verhalten auf. Dadurch sind die Bits aber nicht mit der gleichen Erzeugungswahrscheinlichkeit versehen, weshalb eine mathematische Nachbearbeitung zur Verbesserung der damit erzeugten Zufallszahlen notwendig ist, um die schief liegende, d. h. ungleich verteilte digitalisierte Rauschsignalfolge zu korrigieren.From the DE 101 18 495 C1 Although the comparison of two frequencies is already known, the amplitude value of the second oscillation is always first determined upon detection of a minimum amplitude value of an oscillation and only when this amplitude value of the second oscillation changes from an initially determined amplitude value to an opposite amplitude value Bit generated. Thus, this method is much more complicated and slower, thus less effective than the inventive method. In addition, neither of the two events, namely the vibrations, has a temporally unsteady behavior. As a result, the bits are not provided with the same generation probability, which is why a mathematical post-processing to improve the random numbers generated with it is necessary to correct the skewed, ie unequally distributed digitized noise signal sequence.

Diese mathematische Nachbearbeitung führt allerdings oft zu einer Verschlechterung der Güte der Zufallszahlen, wie die Denkschrift „Ein Vorschlag zu: Funktionalitätsklassen und Evaluationsmethodologie für physikalische Zufallszahlengeneratoren”, Version 3.1 vom 25.09.2001, von Wolfgang Killmann, T-Systems debis Systemhaus Information Security Services, Bonn, und Prof. Priv.-Doz. Dr. Werner Schindler, Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), Bonn , zeigt. Außerdem geht aus dieser Schrift hervor, dass selbst bei gleichen Zufallsgeneratoren bisheriger Bauart mit identischen Nenngrößen der Bauelemente unter gleichen Versuchsbedingungen Zufallszahlen mit unterschiedlichem statistischen Verhalten erzeugt werden. Dadurch wird die Entropie der Zufallszahlen verringert, was als ein Zeichen für eine geringere Qualität angesehen wird.However, this mathematical post-processing often leads to a deterioration of the quality of the random numbers, such as the memorandum "A suggestion on: Functionality classes and evaluation methodology for physical random number generators", Version 3.1 of 25.09.2001, by Wolfgang Killmann, T-Systems debis Systemhaus Information Security Services, Bonn, and Prof. Priv.-Doz. Dr. Werner Schindler, Federal Office for Information Security (BSI), Bonn , shows. In addition, it is apparent from this document that even with the same random generators of previous design with identical nominal sizes of the components under the same experimental conditions random numbers are generated with different statistical behavior. This reduces the entropy of the random numbers, which is considered a sign of lower quality.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden dagegen direkt ausgebbare Zufallszahlen erzeugt, die nicht mathematisch nachbearbeitet werden müssen und bei den jeder Manipulationsversuch von außerhalb in Form einer Einwirkung auf bekannte physikalische Parameter die Entropie der Zufallszahlen erhöht. Natürliche Alterungsprozesse oder unbekannte physikalische Parameter haben ebenfalls keinen nachteiligen, sondern positiven Einfluss auf die Entropie.With On the other hand, the process according to the invention is generates directly outputable random numbers that are not mathematical have to be reworked and at the every manipulation attempt of outside in the form of an action on known physical Parameter increases the entropy of the random numbers. natural Have aging processes or unknown physical parameters also no adverse, but positive influence on the Entropy.

Vorteilhaft wird bei jedem Übergang zu einem im Wesentlichen ersten und/oder zweiten Zustand des zweiten Ereignisses ein Bit erzeugt. Dann lassen sich beliebig lange echte Zufallszahlen erzeugen.Advantageous becomes essentially one at each transition and / or second state of the second event generates one bit. Then you can generate true random numbers for any length of time.

Zweckmäßig ist das erste Ereignis eine erste physikalische Schwingung und das zweite Ereignis eine zweite physikalische Schwingung, die jeweils minimale und maximale Amplitudenwerten aufweisen, da sich solche Schwingungen relativ leicht darstellen lassen.expedient the first event is a first physical vibration and that second event a second physical vibration, each minimum and maximum amplitude values, since such vibrations can be displayed relatively easily.

Bevorzugt erfolgt dann die Feststellung des Amplitudenwertes der ersten Schwingung beim Übergang zu einem im Wesentlichen maximalen Amplitudenwert der zweiten Schwingung.Prefers then the determination of the amplitude value of the first oscillation takes place at the transition to a substantially maximum amplitude value the second vibration.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist die erste Schwingung (f_(Q1)) eine höherfrequente Schwingung als die zweite Schwingung (f_(Q2)), wobei vorteilhaft f_(Q1) > 50 f_(Q2), bevorzugt f_(Q1) > 80 f_(Q2), insbesondere f_(Q1) > 100 f_(Q2) gilt. Durch dieses hohe Schwingungsverhältnis werden in der ersten Schwingung sehr viele Perioden durchlaufen zwischen zwei über die erste Schwingung gesteuerte Feststellungszeiten, so dass die Qualität der Zahlfallszahl erhöht wird. Bevorzugt gilt für die erste Schwingung (f_(Q1)) ≥ 0,5 MHz, bevorzugt ≥ 2 MHz, insbesondere ≥ 10 MHz. Aufgrund der hohen Schwingungsfrequenz lassen sich in sehr schneller Folge Zufallsbits erzeugen.In a particularly expedient embodiment, the first oscillation (f _(Q1) ) is a higher-frequency oscillation than the second oscillation (f _(Q2) ), advantageously f _(Q1) > 50 f _(Q2) , preferably f _(Q1) > 80 f _(Q2) , in particular f _(Q1) > 100 f _(Q2) . As a result of this high oscillation ratio, in the first oscillation a very large number of periods are passed through between two determination times controlled via the first oscillation, so that the quality of the number of declines is increased. Preferably, for the first oscillation (f _(Q1) ) ≥ 0.5 MHz, preferably ≥ 2 MHz, in particular ≥ 10 MHz. Due to the high oscillation frequency, random bits can be generated in a very fast sequence.

Besonders vorteilhaft ist die erste Schwingung (f_(Q1)) eine hinsichtlich der Tastverhältnisse stabilisierte Schwingung. Durch die Stabilisierung der ersten Schwingung wird ein Tastverhältnis von 50% ermöglicht, was die Qualität der Zufallszahlen vorteilhaft beeinflusst. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erste Schwingung (f_(Q1)) nach einer bestimmten Anzahl von Perioden invertiert wird. Hierdurch werden auch bei stabilisierten Schwingungen eventuell noch auftretende Abweichungen von einem Tastverhältnis von 50% ausgeglichen. Diese Invertierung kann nach Ablauf einer oder mehrere Perioden vorgenommen werden und wird eher vorgenommen für weniger gut stabilisierte Schwingungen.Particularly advantageously, the first oscillation (f _(Q1) ) is a vibration stabilized with respect to the duty cycles. The stabilization of the first oscillation enables a duty factor of 50%, which advantageously influences the quality of the random numbers. Furthermore, it is preferable if the first oscillation (f _(Q1) ) is inverted after a certain number of periods. As a result, any deviations from a duty cycle of 50% which may still occur are compensated for even with stabilized oscillations. This inversion can be done after one or more periods and is more likely to be done for less well-stabilized vibrations.

Zweckmäßig ist die erste Schwingung (f_(Q1)) im Wesentlichen eine Rechteckschwingung. Hierdurch lassen sich die Punkte zum Bestimmen der Amplitudenwerte sehr genau festlegen. Natürlich können aber auch andere definierte Schwingungen, wie Sägezahn-, Sinusschwingungen etc. verwendet werden.Suitably, the first vibration (f _(Q1) ) is essentially a square wave. As a result, the points for determining the amplitude values can be set very precisely. Of course, however, other defined vibrations, such as sawtooth, sinusoids, etc. can be used.

Die zweite Schwingung (f_(Q2)) ist nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung eine nicht stabilisierte Schwingung, die insbesondere durch einen frei laufenden Generator erzeugt wird, wobei die Abweichung von der Stabilität vorteilhaft ≥ 5%, bevorzugt ≥ 7,5% und insbesondere ≥ 10% beträgt. Dadurch wird erreicht, dass die zwischen zwei Biterzeugungszeitpunkten durchlaufende Anzahl von Perioden der ersten Schwingung stets unterschiedlich ist, wodurch die Qualität der Zufallszahl weiter erhöht wird.The second oscillation (f _(Q2) ) is according to a particularly advantageous embodiment, a non-stabilized oscillation, which is generated in particular by a free-running generator, the deviation from the stability advantageously ≥ 5%, preferably ≥ 7.5% and in particular ≥ 10%. It is thereby achieved that the number of periods of the first oscillation passing through between two bit generation instants is always different, whereby the quality of the random number is further increased.

Es ist zu betonen, dass durch die vorstehend beschriebenen optionalen Maßnahmen die Qualität der Zufallszahlen erhöht werden kann, so dass im Rahmen der Verifizierungsmöglichkeiten echte Zufallszahlen vorliegen. Falls allerdings physikalische Zufallszahlen ausreichen, die nicht zu 100% echte Zufallszahlen sind, muss nicht unbedingt eine Qualitätsverbesserung mit Hilfe einer oder mehrere dieser Maßnahmen vorgenommen werden.It is to emphasize that by the optional Measures increases the quality of random numbers so that under the verification options true random numbers are available. If, however, physical random numbers Sufficient, which are not 100% true random numbers, does not have to necessarily a quality improvement with the help of one or several of these measures are taken.

Unabhängiger Schutz wird beansprucht für eine Vorrichtung zur Erzeugung physikalischer Zufallszahlen, die ersten Generator zur Erzeugung einer ersten Schwingung (f_(Q1)) und einen zweiten Generator zur Erzeugung einer zweiten Schwingung (f_(Q2)) aufweist und angepasst ist, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu arbeiten. Bevorzugt ist dabei der erste Generator ein Quarzgenerator und der zweite Generator ein spannungsgesteuerter Oszillator.Independent protection is claimed for a physical random number generator having first generator (f _(Q1) ) and a second generator for generating second oscillation (f _(Q2) ) and adapted according to the method of the invention to work. In this case, the first generator is preferably a quartz generator and the second generator is a voltage-controlled oscillator.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Eingang des spannungsgesteuerten Generators mit einer Widerstands-Kondensator-Kombination verbunden. Vorteilhaft weist dabei die Widerstands-Kondensator-Kombination einen Schalter auf, der von den Ausgangssignalen eines Impulsformers geschaltet wird und der Eingang des Impulsformers mit dem Ausgang eines dritten Generators zur Erzeugung einer dritten Schwingung (f_(Q3)) verbunden ist. Hierdurch wird eine nicht stabilisierte zweite Schwingung in einfacher Weise erzeugt. Zweckmäßig ist der dritte Generator angepasst, im Wesentlichen eine Rechteckschwingung zu erzeugen, wobei die Frequenz der Rechteckschwingung bevorzugt nicht stabilisiert ist. Hierdurch wird die Stabilisierung der zweiten Schwingung weiter herabgesetzt. Der Schalter ist bevorzugt angepasst, bei einem im Wesentlichen maximalen bzw. minimalen Amplitudenwert des Impulsformers zu schalten.In an advantageous embodiment, the input of the voltage-controlled generator is connected to a resistor-capacitor combination. Advantageously, the resistor-capacitor combination has a switch which is connected by the output signals of a pulse shaper and the input of the pulse shaper to the output of a third generator for generating a third oscillation (f _(Q3) ) is connected. As a result, an unstabilized second vibration is generated in a simple manner. Suitably, the third generator is adapted to generate substantially a square wave, wherein the frequency of the square wave is preferably not stabilized. As a result, the stabilization of the second vibration is further reduced. The switch is preferably adapted to switch at a substantially maximum or minimum amplitude value of the pulse shaper.

Ebenfalls unabhängiger Schutz wird beansprucht für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem der folgenden Verfahren: kryptographische Verfahren, statistische Verfahren, Simulationsverfahren, Randomisierungsverfahren.Also independent protection is claimed for use the inventive method and / or the Device according to the invention in one of the following Methods: cryptographic methods, statistical methods, simulation methods, Randomization.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden mit seinen Eigenschaften und Vorteilen durch die anhand der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen:The inventive method and the invention Device will go through with its features and advantages the preferred embodiments described with reference to the drawing described. Show it:

1 eine bekannte Technik zur Erzeugung physikalischer Zufallszahlen, 1 a known technique for generating physical random numbers,

2 die im erfindungsgemäßen Verfahren benutzte erste Schwingung, 2 the first vibration used in the method according to the invention,

3 der im erfindungsgemäßen Verfahren benutzte Vergleich der ersten und zweiten Schwingung, 3 the comparison of the first and second vibration used in the method according to the invention,

4 die Einheit zur Erzeugung der zweiten Schwingung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 4 the unit for generating the second Vibration in the device according to the invention,

5 die Form des in der Einheit nach 4 verwendeten Nadelimpulses, 5 the form of in the unit after 4 used needle pulse,

6 eine erste Auflistung exemplarischer Ergebnisse zum Poker- und Monobit-Test und 6 a first listing of exemplary results for the poker and monobit test and

7 eine zweite Auflistung exemplarischer Ergebnisse zum Poker-, Monobit-, Run- und Long Run-Test. 7 A second listing of exemplary poker, monobit, run, and long run test results.

2 zeigt die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete erste Schwingung f_(Q1), wobei die Amplitude U gegenüber der Zeit aufgetragen ist. Zu erkennen ist, dass es sich um eine stabilisierte Rechteckschwingung f_(Q1) handelt, also die Bedingung t₂ – t₁ = t₃ – t₂ gelten soll. Auf diese Weise liegt ein Tastverhältnis für maximale und minimale Amplitude von 50% vor und es können Zufallsbits mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,5 erzeugt werden. In der Praxis ist es jedoch nicht möglich, diese Bedingung genau zu realisieren und stabil zu halten. Beispielsweise liegt das reale Tastverhältnis bei 49,995% für den minimalen Amplitudenwert (low) und 50,005% für den maximalen Amplitudenwert (high) von f_(Q1). Dieser Fehler wird Hardware-gestützt behoben, indem man nach dem Ablauf einer oder mehrerer Perioden eine Invertierung des Rechtecksignals vornimmt. Der Stabilisierungsfehler wird damit ebenfalls invertiert und es liegen die umgekehrten Verhältnisse für low und high vor. In der Summe werden die Wahrscheinlichkeiten dadurch auf 0,5 gesetzt. Die Form des Rechtecksignals (auch die Amplitudenhöhe) selbst ist nun von untergeordneter Bedeutung, solange das Tastverhältnis 0,5 selbst eingehalten wird. 2 shows the first vibration used in the method according to the invention f _(Q1) , wherein the amplitude U is plotted against time. It can be seen that this is a stabilized square wave f _(Q1) , ie the condition t ₂ -t ₁ = t ₃ -t _{2 should} apply. In this way, there is a maximum and minimum amplitude duty cycle of 50% and random bits can be generated with a probability of 0.5. In practice, however, it is not possible to realize this condition accurately and to keep it stable. For example, the real duty cycle is 49.995% for the minimum amplitude value (low) and 50.005% for the maximum amplitude value (high) of f _(Q1) . This error is corrected hardware-based by inverting the square-wave signal after the expiration of one or more periods. The stabilization error is thus also inverted and there are the inverse ratios for low and high. In total, the probabilities are set to 0.5. The shape of the square wave signal (including the amplitude height) itself is now of minor importance, as long as the duty cycle 0.5 itself is maintained.

Wie aus 3 hervorgeht, handelt es sich bei der zweiten Schwingung ebenfalls um eine Rechteckschwingung f_(Q2), wobei die mittlere Frequenz f_(Q2) 20 kHz beträgt und f_(Q1) = 10 MHz ist. Allerdings ist die Schwingung f_(Q2) völlig unstabilisiert. Das gilt für die Frequenz, als auch für die Amplitude und besonders für das Tastverhältnis. Zur Erzeugung dieser Schwingung wird ein freilaufender Generator ohne jegliche Stabilisierungsmaßnahmen verwendet, wie noch in Bezug auf 4 erläutert werden wird. Zwischen der Frequenz der ersten Schwingung f_(Q2) und der mittleren Frequenz der zweiten Schwingung f_(Q2) besteht der Zusammenhang f_(Q2) > 100 f_(Q2).How out 3 As can be seen, the second oscillation is also a square wave f _(Q2) , where the mean frequency f _{(Q2) is} 20 kHz and f _(Q1) = 10 MHz. However, the vibration f _{(Q2) is} completely unstabilized. This applies to the frequency, as well as the amplitude and especially for the duty cycle. To generate this oscillation, a free-running generator is used without any stabilization measures, as related to 4 will be explained. Between the frequency of the first oscillation f _(Q2) and the mean frequency of the second oscillation f _{(Q2) there} is the relationship f _(Q2) > 100 f _(Q2) .

Anhand von 3 wird nun auch die Gewinnung zufälliger Bits rein schematisch verdeutlicht. Es findet ein Vergleich der Amplituden beider Schwingungen f_(Q1) und f_(Q2) zum Zeitpunkt t(n) statt, wobei der Zeitpunkt t(n) derjenige Zeitpunkt ist, bei dem ein low/high-Übergang der zweiten Schwingung f_(Q2) stattfindet. Alternativ könnte natürlich auch auf den high/low-Übergang von f_(Q2) abgestellt werden. Folgendermaßen wird dabei bei der Bit-Erzeugung vorgegangen:
Zum Zeitpunkt t₁ findet bei f_(Q2) ein Amplitudenübergang von low nach high statt. Dieser Zeitpunkt setzt also einen Feststellungszeitpunkt für die Bit-Erzeugung. Zum Zeitpunkt t₁ findet bei f_(Q1) gerade ein Übergang von low nach high statt. Somit ist der Amplitudenwert von f_(Q1) unbestimmt. Zur Vermeidung dieser Unbestimmtheiten wird einem solchen Übergang ein Bit-Wert zugewiesen, nämlich „1”. Umgekehrt wird einem high/low-Übergang der Wert „0” zugewiesen. Anlässlich eines folgenden Feststellungszeitpunktes t₂ liegt für den Amplitudenwert von f_(Q1) ein low vor, wobei ein Bit-Wert von „0” erzeugt wird. Anlässlich des nächsten Feststellungszeitpunktes t₃ wird wegen des Vorliegens von high bei f_(Q1) ein Bit-Wert von „1” erzeugt. Schließlich wird bei t₄ ein Bitwert von „1” erzeugt, da bei f_(Q1) ebenfalls ein high vorliegt. Die erzeugte zufällige Bitfolge lautet somit 1011.Based on 3 now also the extraction of random bits is illustrated purely schematically. A comparison of the amplitudes of both oscillations f _(Q1) and f _{(Q2) takes place} at time t (n), wherein the time t (n) is the time at which a low / high transition of the second oscillation f _{(Q2 )} takes place. Alternatively, of course, could also be switched to the high / low transition of f _(Q2) . The following procedure is used for bit generation:
At time t ₁ , an amplitude transition from low to high takes place at f _(Q2) . This time thus sets a determination time for the bit generation. At time t ₁ , a transition from low to high is taking place at f _(Q1) . Thus, the amplitude value of f _{(Q1) is} indeterminate. To avoid these uncertainties, such a transition is assigned a bit value, namely "1". Conversely, a high / low transition is assigned the value "0". On the occasion of a subsequent determination time t ₂ , a low exists for the amplitude value of f _(Q1) , whereby a bit value of "0" is generated. On the occasion of the next determination time t ₃ , because of the presence of high at f _(Q1), a bit value of "1" is generated. Finally, a bit value of "1" is generated at t ₄ , since f _(Q1) also has a high. The generated random bit sequence is thus 1011.

Zur Erzeugung ausreichend echter physikalischer Zufallszahlen beträgt die Abweichung von der Stabilität von f_(Q2) etwa 10%, d. h. dass die Nennfrequenz von f_(Q2) um diesen Betrag hin- und herpendelt. Es ergeben sich damit zwangsläufig Zeitdifferenzen von Periode zu Periode für f_(Q2). Durch dieses Zeitfenster, von etwa 5 × 10⁶ s gehen ca. 10 Perioden der ersten Schwingung f_(Q1). Ob dann beim low/high-Übergang von f_(Q1) für f_(Q1) als Amplitudenwert low oder high verifiziert und somit als Bit-Wert eine „0” oder eine „1” zugewiesen wird, ist somit reiner Zufall.To generate sufficiently true random physical numbers, the deviation from the stability of f _{(Q2) is} about 10%, that is, the nominal frequency of f _(Q2) oscillates around this amount. This inevitably results in time differences from period to period for f _(Q2) . Through this time window, of about 5 × 10 ⁶ s, there are about 10 periods of the first oscillation f _(Q1) . Whether then at the low / high transition of f _(Q1) for f _{(Q1) is} verified as an amplitude value low or high and thus a bit value is assigned a "0" or a "1" is pure coincidence.

Zur Sicherstellung bzw. Steigerung dieser Stabilitätsabweichung von f_(Q2) wird für die Generation der zweiten Schwingung f_(Q2) ein freilaufender Generator 1 verwendet, der rein schematisch in 4 dargestellt ist. Dabei wird der freischwingende dritte Generator 2 nicht unmittelbar zum Frequenzvergleich herangezogen. Er dient vielmehr als Zwischenglied und als Steuerquelle für einen zweiten Generator 3, der ein spannungsgesteuerter Oszillator ist. Beispielsweise kann als zweiter Generator 3 ein handelsüblicher PLL (phase-locked-loop) CMOS Schaltkreis 4046 eingesetzt werden, wobei dann nur das VCO Teil genutzt wird.To ensure or increase this stability deviation of f _(Q2) , a freewheeling generator is generated for the generation of the second oscillation f _(Q2) 1 used purely schematically in 4 is shown. This is the free-running third generator 2 not directly used for frequency comparison. Rather, it serves as a link and as a control source for a second generator 3 , which is a voltage controlled oscillator. For example, as a second generator 3 a commercial PLL (phase-locked-loop) CMOS circuit 4046 are used, in which case only the VCO part is used.

Die Funktionsweise des freischwingenden Generators 1 ist nun die folgende:
Der dritte Generator 2 erzeugt eine Rechteckschwingung f_(Q3) und speist damit einen Impulsformer 4, der Nadelimpulse erzeugt. Diese Nadelimpulse werden einem Schalter S zugeführt, der immer dann geschlossen ist, wenn die Amplitude des anliegenden Impulses auf high liegt. Durch Schließen des Schalters S liegt am Eingang 6 des zweiten Generators 3 die Spannung U an.The functioning of the free-running generator 1 is now the following:
The third generator 2 generates a square wave f _(Q3) and feeds a pulse shaper 4 which generates needle pulses. These needle pulses are fed to a switch S, which is always closed when the amplitude of the applied pulse is high. By closing the switch S is located at the entrance 6 of the second generator 3 the voltage U on.

Die sich ergebende Ausgangsfrequenz f_(Q2) ergibt sich dann aus den technischen Daten des zweiten Generators 3. Da es sich beim zweiten Generator 3 um einen spannungsgesteuerten Oszillator handelt, bestimmt die Höhe der Eingangsspannung U die Höhe der Ausgangsfrequenz f_(Q2). Gleichzeitig wird der Kondensator C auf die Nennspannung von U aufgeladen.The resulting output frequency f _(Q2) then results from the technical data of the second generator 3 , Since it is the second generator 3 is a voltage controlled oscillator, the magnitude of the input voltage U determines the magnitude of the output frequency f _(Q2) . At the same time, the capacitor C is charged to the rated voltage of U.

Immer dann, wenn die Amplitude der Nadelimpulse auf low liegt, öffnet der Schalter S. Dadurch entlädt sich der Kondensator C über den Widerstand R in der bestimmten Zeit t_x. Die Spannung am Eingang des zweiten Generators 3 geht in der Zeit t_x nach null, bis erneut der Schalter S geschlossen wird. Da die Höhe der erzeugten Frequenz f_(Q2) von der Eingangsspannung am zweiten Generator 3 abhängt, bedeutet dies gleichzeitig, dass die Frequenz f_(Q2) in der Zeit t_x absinkt. Wird nun der Schalter S erneut geschlossen, wiederholt sich der Vorgang. Es entsteht eine Art Sirenensignal.Whenever the amplitude of the needle pulses is low, the switch S opens. As a result, the capacitor C discharges via the resistor R in the specific time t _x . The voltage at the input of the second generator 3 goes to zero in the time t _x until the switch S is closed again. Since the amount of generated frequency f _(Q2) from the input voltage at the second generator 3 At the same time, this means that the frequency f _(Q2) decreases in the time t _x . If now the switch S is closed again, the process is repeated. It creates a kind of siren signal.

Wie das Ausgangssignal genau aussieht, insbesondere der zeitliche Verlauf zwischen t₁, t₂, t₃ usw., hängt letztendlich von allen physikalischen Einflussfaktoren ab. Dazu gehören die äußern Einflussfaktoren: Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, elektro-magnetische Strahlungen und sonstige unbekannte Faktoren.How the output signal looks exactly, in particular the time course between t ₁ , t ₂ , t ₃ , etc., ultimately depends on all physical influencing factors. These include the external influencing factors: temperature, humidity, air pressure, electromagnetic radiation and other unknown factors.

Weiterhin gehören dazu die inneren Einflussfaktoren. Also zum einen Stabilität und Welligkeit der Spannung U. Die Spannung U wird direkt (bei netzbetriebenen Geräten) aus der Netzspannung abgeleitet und unterliegt damit auch den Schwankungen des öffentlichen Netzes.Farther this includes the internal influencing factors. So for one Stability and ripple of voltage U. The voltage U becomes directly (with mains operated devices) from the mains voltage derived and thus subject to the fluctuations of the public Network.

Weiterhin auch Kapazität und Güte von C sowie Widerstandswert und Beschaffenheit von R, wobei der Kondensator C nicht schlagartig aufgeladen wird, sondern über eine Anstiegszeit verfügt, welche wiederum Auswirkung auf f_(Q2) und somit auf die Erzeugung des Zufallsbits hat.Furthermore, the capacitance and quality of C and the resistance and nature of R, wherein the capacitor C is not charged abruptly, but has a rise time, which in turn has an effect on f _(Q2) and thus on the generation of the random bit.

Außerdem auch Stabilität, Impulsform und Tastverhältnis der Nadelimpulse. Hierbei spielt insbesondere das Tastverhältnis eine entscheidende Rolle und auch die Flankensteilheit (vgl. 5) geht in die Erzeugung des Zufallsbits mit ein. Wichtig in diesem Zusammenhang ist nämlich, dass der elektronische Schalter S bei high-Potential des Nadelimpulses schließt. Dieser Zeitpunkt liegt aber auf der Impulsflanke innerhalb des Zeitabschnitts t_Flanke in der Nähe des Impulsdaches und ist nicht bestimmbar, geht aber in die Einschaltdauer des Schalters S ein. Für gute Ergebnisse ist die Breite von t_Dach so kurz wie möglich, andererseits aber ausreichend zu halten, um den Kondensator C voll aufzuladen.In addition, stability, pulse shape and duty cycle of the needle pulses. In this case, in particular the duty cycle plays a decisive role and also the edge steepness (cf. 5 ) is included in the generation of the random bit. It is important in this context that the electronic switch S closes at high potential of the needle pulse. However, this time is on the pulse edge within the time t _flank in the vicinity of the impulse roof and is not determinable, but goes into the duty cycle of the switch S. For good results, the width of t _{roof is} as short as possible, but on the other hand sufficient to keep the capacitor C fully charged.

Schließlich bestehen weitere unbekannte innere Faktoren des zweiten Generators 3, also des CMOS-Schaltkreises 4046.Finally, there are other unknown internal factors of the second generator 3 , that is, the CMOS circuit 4046.

Nachfolgend werden durchgeführte statistische Test erläutert, die anhand der Richtlinie FIPS PUB 144.4 gemacht wurden und die auch im Bundesamt für Sicherheit und Informationstechnik (BSI) verwendet werden.following explained statistical test, which were made using the FIPS PUB 144.4 guideline and the also in the Federal Office for Security and Information Technology (BSI).

1. Monobit-Test1. Monobit test

Es gilt

. Die Bitfolge b₁, ..., b₂₀₀₀₀₀ passiert dann den Monobit-Test, wenn 9654 < X < 10346.It applies

, The bit sequence b ₁ , ..., b ₂₀₀₀₀₀ then passes the monobit test if 9654 <X <10346.

2. Poker-Test2. Poker test

Es gilt

, wobei für j = 1, ..., 5000 c_j = 8·b_4j-3 + 4·b_4j-2 + 2·b_4j-1 + b_4j sei und f[i]: = |{j: c_j = i}| bezeichnet. Die Bitfolge b₁, ..., b₂₀₀₀₀ passiert dann den Pokertest, falls 1,03 < Y < 57,4.It applies

where j = 1, ..., 5000 c _j = 8 · b _4j-3 + 4 · b _4j-2 + 2 · b _4j-1 + b _4j and f [i]: = | {j: c _j = i} | designated. The bit sequence b ₁ , ..., b ₂₀₀₀₀ then passes the poker test if 1.03 <Y <57.4.

3. Run-Test3rd run test

Hier ist „Run” die Bezeichnung für eine maximale Teilfolge aufeinander folgender gleicher Bits, also „0” oder „1”. Die Bitfolge b₁, ..., b₂₀₀₀₀ passiert dann den Run-Test, wenn die Anzahl der auftretenden Run-Längen innerhalb der nachfolgend definierten zulässigen Intervalle liegen, wobei „0”- und „1”-Runs werden getrennt ausgewertet werden: Run-Länge zulässiges Intervall 1 2267–2733 2 1079–1421 3 502–748 4 233–402 5 90–223 ≥ 6 90–233 Here "run" is the name for a maximum subsequence of consecutive equal bits, ie "0" or "1". The bit sequence b ₁ , ..., b ₂₀₀₀₀ then passes the run test if the number of occurring run lengths lie within the permissible intervals defined below, whereby "0" and "1" runs are evaluated separately: Run-length allowed interval 1 2267-2733 2 1079-1421 3 502-748 4 233-402 5 90-223 ≥ 6 90-233

4. Long Run-Test4. Long Run Test

Die Bitfolge b₁, ..., b₂₀₀₀₀ passiert den Long Run-Test, wenn kein Run ≥ 34 auftritt.The bit sequence b ₁ , ..., b ₂₀₀₀₀ passes the long run test if no run ≥ 34 occurs.

Auf dieser Basis wurden Computerprogramme zum Testen des erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschrieben und damit die erzeugten Zufallszahlen untersucht. Die Ergebnisse sind in den beiden exemplarischen Ergebniszusammenstellungen, die in 6 und 7 gezeigt sind, dargestellt.On this basis, computer programs were written for testing the method according to the invention and the device according to the invention, and thus the random numbers generated were examined. The results are shown in the two examples of results compiled in 6 and 7 shown are shown.

6 zeigt dabei, dass sowohl der Poker-Test als auch der Monobilt-Test bestanden wurden, wobei 20000 Zufallsbits erzeugt wurden und beim Poker-Test die Verteilung aller 4 Bit-Segmente innerhalb der 20000 Zufallsbits ermittelt wurde. Wie zu erkennen, ergab der Poker-Test einen Wert Y = 4,972673 und der Monobit-Test einen Wert X = 10043. 6 shows that both the Po Both the ker test and the monobilt test were passed generating 20000 random bits and the poker test determined the distribution of all 4-bit segments within the 20,000 random bits. As can be seen, the poker test yielded a value of Y = 4.972673 and the monobit test a value of X = 10043.

In 7 sind die Ergebnisse des Run- und des Long Run-Tests in Kombination mit den Ergebnissen des Monobit- und des Poker-Tests für eine andere Menge erzeugter 20000 Zufallsbits dargestellt. Zu erkennen ist wiederum, dass sowohl der Monobit- als auch der Poker-Test bestanden wurden. die ermittelten Runs blieben nicht nur innerhalb der vorgegebenen Intervalle, sie liegen auch ausnahmslos in deren Zentrum, sind also sehr ausgeglichen verteilt. Da keine Runs größer gleich 13 ermittelbar waren, wurde somit nicht nur der Run- sondern auch der Long Run-Test bestanden.In 7 The results of the run and long run tests combined with the results of the monobit and poker tests are presented for a different set of generated 20000 random bits. It can be seen again that both the monobit and the poker test were passed. the determined runs did not only stay within the given intervals, they are also without exception in the center, so they are distributed very evenly. Since no runs greater than or equal to 13 could be determined, not only the run but also the long run test was passed.

Diese in 6 und 7 exemplarisch aufgelisteten Ergebnisse stehen stellvertretend für mehrere 1000 getestete Folgen von jeweils erzeugten 20000 Zufallsbits. Da stets alle Testkriterien eingehalten worden sind, ist ausreichend belegt, dass sich mit dem vorliegend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung echte physikalische Zufallszahlen hoher Qualität sehr effektiv erzeugen lassen, die sich auch in besonders sensiblen Verfahren der Kryptographie, Statistik, Simulation und Randomisierung einsetzen lassen.This in 6 and 7 Examples of listed results are representative of several 1000 tested sequences of generated 20000 random bits. Since all the test criteria have always been met, it has been sufficiently proven that real physical random numbers of high quality can be very effectively produced with the presently described inventive method and device, which are also used in particularly sensitive methods of cryptography, statistics, simulation and randomization to let.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 97/43709 [0010]
US 4855690 [0010]
- DE 10118495 C1 [0010, 0017]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- "A suggestion on: Functionality classes and evaluation methodology for physical random number generators", Version 3.1 of 25.09.2001, by Wolfgang Killmann, T-Systems debis Systemhaus Information Security Services, Bonn, and Prof. Priv.-Doz. Dr. Werner Schindler, Federal Office for Information Security (BSI), Bonn [0018]

Claims

A method of generating physical random numbers wherein physical events (f _(Q1) , f _(Q2) ) are compared by at least two independent event generators, the physical events having different temporal behavior (f _(Q1) , f _(Q2) ) , characterized in that the first event (f _(Q1) ) has two different states (high _(Q1) , low _(Q1) ) distributed at the same time and the second event (f _(Q2) ) two states (high ₍ _H) _Q2) , low _(Q2) ), whereby from the second event (f _(Q2) ) the random is obtained and on the first event (f _(Q1) ) the random is mapped by determining whether the first Event (f _(Q1) ) is a substantially first (high _(Q1) ) or second state (low _(Q1) ), when in the second event (f _(Q2) ) is a substantially first (high _(Q2) ) or second state (low _(Q2) ) is present, and that the detected State (high _(Q1) , low _(Q1) ) of the first event (f _(Q1) ) is assigned to a particular bit (0, 1).

A method according to claim 1, characterized in that at each transition to a substantially first (high _(Q2) ) and / or second state (low _(Q2) ) of the second event (f _(Q2) ) one bit (0, 1) is produced.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first event is a first physical oscillation (f _(Q1) ) and the second event is a second physical oscillation (f _(Q2) ), the respective minimum (low _{(Q1 )} , low _(Q2) ) and maximum (high _(Q1) , high _(Q2) ) amplitude values.

A method according to claim 3, characterized in that the determination of the state of the first event (f _(Q1) ) takes place at the transition to a substantially maximum amplitude value of the second oscillation (f _(Q2) ).

Method according to claim 3 or 4, characterized in that the first oscillation (f _(Q1) ) is a higher-frequency oscillation than the second oscillation (f _(Q2) ), advantageously f _(Q1) > 50 f _(Q2) , preferably f _(Q1) > 80 f _(Q2) , in particular f _(Q1) > 100 f _(Q2) .

Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that the frequency of the first oscillation (f _(Q1) ) ≥ 0.5 MHz, preferably ≥ 2 MHz, in particular ≥ 10 MHz.

Method according to one of claims 3 to 6, characterized in that the first oscillation (f _(Q1) ) is a stabilized oscillation.

Method according to one of claims 3 to 7, characterized in that the first oscillation (f _(Q1) ) is inverted after a certain number of periods.

Method according to one of claims 3 to 8, characterized in that the first oscillation (f _(Q1) ) is substantially a square wave.

Method according to one of claims 3 to 9, characterized in that the second oscillation (f _(Q2) ) is an unstabilized oscillation, which is generated in particular by a free-running generator, the deviation from the stability advantageously ≥ 5%, preferably ≥ 7.5% and in particular ≥ 10%.

Device for generating physical random numbers, characterized by a first generator for generating a first oscillation (f _(Q1) ) and a second generator ( 1 ) for generating a second oscillation (f _(Q2) ), the device being adapted to operate according to a method according to one of the preceding claims.

Apparatus according to claim 11, characterized in that the first generator is a quartz generator and the second generator ( 1 ) a voltage controlled oscillator.

Apparatus according to claim 12, characterized in that the input of the voltage-controlled generator ( 1 ) is connected to a resistor (R) capacitor (C) combination.

Device according to Claim 13, characterized in that the resistor (R) capacitor (C) combination has a switch (S) which is dependent on the output signals of a pulse shaper ( 4 ) and the input of the pulse shaper ( 4 ) with the output of a third generator ( 2 ) is connected to generate a third vibration (f _(Q3) ).

Device according to claim 14, characterized in that the third generator ( 2 ) is adapted to produce substantially a square wave f _(Q3) and the frequency of the square wave f _{(Q3) is} preferably not stabilized.

Apparatus according to claim 14 or 15, characterized in that the switch (S) is adapted, with a substantially maximum or minimum amplitude value of the pulse shaper ( 4 ) to switch.

Use of the method according to one of claims 1 to 10 or the device according to one of claims 12 to 17 in one of the following methods: cryptographic methods, statistical ver drive, simulation method, randomization method.