DE102010026688A1

DE102010026688A1 - Random number generator for cryptographic application, has sample and holding circuit that scans switching states of cascaded ring oscillators for generation of random bits

Info

Publication number: DE102010026688A1
Application number: DE102010026688A
Authority: DE
Inventors: Dr. Dichtl Markus; Dr. Meyer Bernd
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-12

Abstract

The random number generator (1) formed by application specific integrated circuit (ASIC) or field programmable gate array (FPGA) has several cascaded ring oscillators (2-1,2-2) and a sample and holding circuit (3). The sample and holding circuit scans switching states of oscillators for generation of random bits. The oscillator has a cascading gate such as exclusive OR (XOR) gate or exclusive NOT-OR (XNOR) gate. The cascading gate of one oscillator is linked to that of next oscillator so that a nonlinear mixer is formed to mix the oscillation signals of cascaded ring oscillators. An independent claim is included for method for generation of random bits.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Zufallsbits, insbesondere für kryptographische Anwendungen.The invention relates to an apparatus and a method for generating random bits, in particular for cryptographic applications.

Zufallsgeneratoren zur Erzeugung von Zufallsdaten sind weit verbreitet und finden Anwendung in vielen Gebieten, insbesondere in Sicherheitsanwendungen.Random generators for generating random data are widely used and find application in many fields, especially in security applications.

Bei herkömmlichen Pseudozufallsgeneratoren oder deterministischen Zufallszahlengeneratoren werden Zufallsbits algorithmisch erzeugt. Da die erzeugten Zufallsbits algorithmisch erzeugt sind, sind sie nicht wirklich zufällig, sondern deterministisch, haben aber ähnliche statistische Eigenschaften wie echte Zufallszahlen. Zur Erzeugung der Pseudozufallbits wird eine Prozessoreinheit mit einem entsprechenden Programm sowie ein Speicher mit dem aktuellen Zustand des Generators benötigt. Ein Prozessor berechnet mit Hilfe des implementierten Algorithmus aus dem aktuellen Wert des Generatorzustands, dem sogenannten Seed, einige Zufallsbits, wobei der neue Wert des Seeds abgespeichert wird und den alten Wert überschreibt. Damit jeder Pseudozufallsgenerator eine individuelle Zufallszahlenfolge erzeugen kann, müssen die Seeds von verschiedenen Geräten zunächst in einem Personalisierungsschritt auf einen individuellen Startwert gesetzt werden. Hierzu werden einmalig echte Zufallsdaten, die von einer anderen Zufallsquelle erzeugt werden, verwendet. Daher können Pseudozufallszahlengeneratoren echte Zufallsgeneratoren, die physikalische Zufallsdaten liefern, nicht vollständig ersetzen, da für die Seedwerte der Pseudozufallsgeneratoren eine echte Zufallszahl benötigt wird. Nach der Festlegung des Seeds ist die erzeugte Pseudozufallszahlenfolge eindeutig festgelegt und der Prozess zur Erzeugung von Pseudozufallszahlen erfolgt deterministisch. Die statistische Qualität der Pseudozufallszahlen hängt daher bei diesen herkömmlichen Zufallsgeneratoren stark von dem jeweils verwendeten Algorithmus und der Größe des verwendeten Seedwertes ab. Viele herkömmliche Pseudozufallsgeneratoren, beispielsweise sogenannte Fibonaccigeneratoren, sind für einfache Anwendungsfälle, beispielsweise einfache statistische Simulationen oder Spreadspektrummodulationen, ausreichend und können kompakt implementiert werden. Für kryptographische Anwendungen bzw. Sicherheitsanwendungen sind die von herkömmlichen Pseudozufallsgeneratoren erzeugten Zufallsbits bzw. Zufallszahlen jedoch vollkommen ungeeignet, weil mit relativ geringem technischen Aufwand die durch den Generator erzeugte Zufallszahlenfolge für einen Angreifer vorhersagbar ist.In conventional pseudo-random number generators or random number generators, random bits are generated algorithmically. Since the generated random bits are generated algorithmically, they are not really random but deterministic, but have similar statistical properties to real random numbers. To generate the pseudo-random bits, a processor unit with a corresponding program and a memory with the current state of the generator is required. A processor calculates, using the implemented algorithm, some random bits from the current generator state value, the so-called seed, whereby the new value of the seed is stored and overwrites the old value. In order for each pseudo-random generator to generate an individual random number sequence, the seeds of different devices must first be set to an individual start value in a personalization step. For this unique real random data generated by another random source is used. Therefore, pseudo-random number generators can not completely replace true random number generators that provide physical random data because the seed values of the pseudo-random number generators require a true random number. Once the seed has been determined, the generated pseudorandom number sequence is uniquely determined and the process of generating pseudorandom numbers is deterministic. The statistical quality of the pseudo-random numbers therefore depends strongly on the particular algorithm used and the size of the seed used in these conventional random number generators. Many conventional pseudo-random generators, for example so-called Fibonaccigenerators, are sufficient for simple applications, for example simple statistical simulations or spread spectrum modulations, and can be implemented in a compact manner. For cryptographic applications or security applications, however, the random bits or random numbers generated by conventional pseudo-random generators are completely unsuitable, because the random number sequence generated by the generator is predictable for an attacker with relatively little technical effort.

Eine weitere Gruppe von Zufallszahlengeneratoren sind sogenannte Hardware-Zufallszahlengeneratoren, bei denen ein physikalischer Prozess als Zufallsquelle dient. Dabei wird das Verhalten eines physikalischen Systems beispielsweise über Sensoren erfasst und aus den gemessenen Daten anschließend die Zufallsdaten bzw. Zufallsbits extrahiert. Typische Beispiele für derartige physikalische Prozesse, die Hardware-Zufallszahlengeneratoren zur Erzeugung von Zufallsdaten verwenden, sind radioaktiver Zerfall, thermisches Rauschen von Halbleitern, freischwingende Oszillatoren, Quantenzustände von Photonen usw. Derartige Hardware-Zufallszahlengeneratoren haben jedoch den erheblichen Nachteil, dass aufwändige Messvorrichtungen zur Beobachtung und Messung der jeweiligen physikalischen Größen notwendig sind. Weiterhin besteht bei derartigen Hardware-Zufallszahlengeneratoren das Problem, dass deren korrekte Arbeitsweise davon abhängt, dass eine Messschaltung, beispielsweise eine analoge Elektronikschaltung, auf einen bestimmten Arbeitspunkt exakt eingestellt werden muss. Daher können Fertigungsstreuungen und Änderungen der Betriebsbedingungen sowie Alterung und äußere Einflüsse die Arbeitsweise derartiger Hardware-Zufallsgeneratoren empfindlich beeinflussen.Another group of random number generators are so-called hardware random number generators, in which a physical process serves as a random source. In this case, the behavior of a physical system is detected, for example via sensors, and then the random data or random bits are extracted from the measured data. Typical examples of such physical processes using hardware random number generators to generate random data are radioactive decay, semiconductor thermal noise, free-running oscillators, quantum states of photons, etc. However, such hardware random number generators have the significant disadvantage of requiring elaborate measuring devices for observation and analysis Measurement of the respective physical sizes are necessary. Furthermore, such hardware random number generators have the problem that their correct operation depends on the fact that a measuring circuit, for example an analog electronic circuit, has to be set exactly to a specific operating point. Therefore, manufacturing variations and changes in operating conditions as well as aging and external influences can affect the operation of such hardware randomizers sensitive.

Es existieren daher Ansätze zur Implementierung von Hardware-Zufallszahlengeneratoren auf Basis rein digitaler elektronischer Komponenten, um die genannten Nachteile analoger Schaltungen zu vermeiden. Beispielsweise wird dabei der Jitter von Ringoszillatoren zur Zufallszahlengenerierung verwendet. Ein Nachteil dieser herkömmlichen Zufallszahlengeneratoren besteht jedoch darin, dass der Jitter bzw. das zeitliche Schwanken von Ringoszillatoren relativ gering ist und sich zudem auch nur langsam über die Zeit akkumuliert. Derartige Zufallsgeneratoren, die auf Jitter beruhen, weisen daher eine relativ geringe Entropie auf, so dass das Ausgangssignal des Zufallsgenerators von einem Angreifer unter Umständen vorausgesagt werden kann.There are therefore approaches to the implementation of hardware random number generators based on purely digital electronic components in order to avoid the mentioned disadvantages of analog circuits. For example, the jitter of ring oscillators is used for random number generation. A disadvantage of these conventional random number generators, however, is that the jitter or the time fluctuation of ring oscillators is relatively low and also also accumulates only slowly over time. Such random number generators based on jitter therefore have a relatively low entropy, so that the output of the randomizer may be predicted by an attacker.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zufallsgenerator zur Erzeugung von Zufallsdaten bzw. Zufallsbits zu schaffen, dessen erzeugte Zufallsdaten eine hohe Entropie aufweisen und der schaltungstechnisch einfach implementierbar ist.It is therefore an object of the present invention to provide a random generator for generating random data or random bits whose generated random data have a high entropy and which is easy to implement in terms of circuitry.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zufallsgenerator mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a random number generator with the features specified in claim 1.

Die Erfindung schafft einen Zufallsgenerator zur Erzeugung von Zufallsbits mit mindestens einem kaskadierten Ringoszillator und mit einer Abtasteinrichtung, welche Schaltzustände des kaskadierten Ringoszillators zur Erzeugung der Zufallsbits abtastet.The invention provides a random generator for generating random bits with at least one cascaded ring oscillator and with a sampling device, which samples switching states of the cascaded ring oscillator for generating the random bits.

Bei diesen Schaltzuständen kann es sich um metastabile bzw. nicht mehr vorhersagbare Schaltzustände der kaskadierten Ringoszillatoren handeln. Diese metastabilen Schaltvorgänge bilden die Quelle der mit dem erfindungsgemäßen Zufallsgenerator erzeugten Zufallsdaten. Die abgetasteten Schaltzustände können als gemessene logische Werte von Zufallsbits insbesondere in kryptographischen Verfahren eingesetzt werden.These switching states can be metastable or unpredictable Switching states of the cascaded ring oscillators act. These metastable switching operations form the source of the random data generated by the random generator according to the invention. The sampled switching states can be used as measured logical values of random bits, in particular in cryptographic methods.

Bei einer möglichen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Zufallsgenerator als FPGA implementiert.In one possible embodiment, the random number generator according to the invention is implemented as an FPGA.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators weist der kaskadierte Ringoszillator ein Kaskadierungsgatter auf, welches ein Schwingungssignal des kaskadierten Ringoszillators mit einem Schwingungssignal mindestens eines weiteren Ringoszillators logisch verknüpft.In one embodiment of the random number generator according to the invention, the cascaded ring oscillator has a cascading gate, which logically combines an oscillation signal of the cascaded ring oscillator with an oscillation signal of at least one further ring oscillator.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators bildet das Kaskadierungsgatter des kaskadierten Ringoszillators einen nicht-linearen Mischer, der das Schwingungssignal des kaskadierten Ringoszillators mit dem Schwingungssignal mindestens eines weiteren Ringoszillators derart mischt, dass das Frequenzspektrum des gemischten Schwingungssignals eine Vielzahl von hochfrequenten Spektralanteilen aufweist.In one embodiment of the random number generator according to the invention, the cascading gate oscillator of the cascaded ring oscillator forms a non-linear mixer which mixes the oscillation signal of the cascaded ring oscillator with the oscillation signal of at least one further ring oscillator such that the frequency spectrum of the mixed oscillation signal has a plurality of high-frequency spectral components.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators ist das Kaskadierungsgatter ein XOR-Gatter.In one embodiment of the random generator according to the invention, the cascading gate is an XOR gate.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators ist das Kaskadierungsgatter ein XNOR-Gatter.In a further possible embodiment of the random generator according to the invention, the cascading gate is an XNOR gate.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators weist der kaskadierte Ringoszillator eine Rückkoppelschleife auf, die aus mehreren zyklisch verschalteten Invertern oder Verzögerungsgliedern besteht und ein Schwingungssignal, insbesondere ein Rechtecksignal, erzeugt.In one possible embodiment of the random generator according to the invention, the cascaded ring oscillator has a feedback loop which consists of a plurality of cyclically interconnected inverters or delay elements and generates an oscillation signal, in particular a square-wave signal.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators ist in der Rückkoppelschleife des Ringoszillators ein Aktivierungsgatter vorgesehen, welches das Ausgangssignal des Kaskadierungsgatters mit einem externen Enable-Steuersignal verknüpft und an eine Kette von seriell verschalteten Invertern oder Verzögerungsgliedern der Rückkoppelschleife abgibt.In one embodiment of the random generator according to the invention, an activation gate is provided in the feedback loop of the ring oscillator, which combines the output of the Kaskadierungsgatters with an external enable control signal and outputs to a chain of serially interconnected inverters or delay elements of the feedback loop.

Bei dem Aktivierungsgatter kann es sich beispielsweise um ein NAND-Gatter handeln.The activation gate may be, for example, a NAND gate.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators ist die Anzahl der in der Rückkoppelschleife seriell verschalteten Inverter ungerade. Dabei ist das Aktivierungsgatter als Inverter mitzuzählen, falls es im aktiven Zustand das Signal im Ring invertiert, was beispielsweise bei einem NAND-Gatter der Fall ist.In one embodiment of the random generator according to the invention, the number of inverters connected in series in the feedback loop is odd. In this case, the activation gate must be counted as an inverter, if it inverts the signal in the ring in the active state, which is the case for example with a NAND gate.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators weist die Abtasteinrichtung eine Sample/Hold-Schaltung zum Abtasten des Schaltzustandes des kaskadierten Ringoszillators auf.In one embodiment of the random number generator according to the invention, the sampling device has a sample / hold circuit for sampling the switching state of the cascaded ring oscillator.

Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Sample/Hold-Schaltung ein flankengetriggertes Flip Flop vorgeschaltet.In one possible embodiment, the sample / hold circuit is preceded by an edge-triggered flip-flop.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators wird der Zufallsgenerator durch eine programmierte FPGA-Schaltung gebildet.In one possible embodiment of the random generator according to the invention, the random generator is formed by a programmed FPGA circuit.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators wird der Zufallsgenerator durch eine anwenderspezifische integrierte Schaltung (ASIC) gebildet.In an alternative embodiment of the random generator according to the invention, the random number generator is formed by a user-specific integrated circuit (ASIC).

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators bilden die erzeugten Zufallsbits eine Zufallszahl, die in einem Datenspeicher zur weiteren Datenverarbeitung zwischeugespeichert wird.In one embodiment of the random generator according to the invention, the generated random bits form a random number which is buffered in a data memory for further data processing.

Bei einer möglichen Ausführungsform bildet die zwischengespeicherte Zufallszahl einen Nounce-Wert oder einen kryptographischen Schlüssel.In one possible embodiment, the cached random number forms a nounce value or a cryptographic key.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators ist der Zufallsgenerator in einer kryptographischen Berechnungseinheit integriert bzw. eingebettet und liefert eine aus mehreren Zufallsbits bestehende Zufallszahl, die zur Durchführung einer kryptographischen Berechnung benutzt wird.In one possible embodiment of the random number generator according to the invention, the random number generator is integrated or embedded in a cryptographic calculation unit and supplies a random number consisting of several random bits, which is used to carry out a cryptographic calculation.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators berechnet die kryptographische Berechnungseinheit eine Challenge-Nachricht in Abhängigkeit der durch den Zufallsgenerator bereitgestellten Zufallszahl sowie einem gespeicherten kryptographischen Schlüssel.In one embodiment of the random number generator according to the invention, the cryptographic calculation unit calculates a challenge message as a function of the random number provided by the random number generator as well as a stored cryptographic key.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators berechnet die kryptographische Berechnungseinheit eine Response-Nachricht in Abhängigkeit der durch den Zufallsgenerator bereitgestellten Zufallszahl sowie einer Challenge-Nachricht und einem gespeicherten kryptographischen Schlüssel.In one embodiment of the random number generator according to the invention, the cryptographic calculation unit calculates a response message in dependence on the random number provided by the random number generator as well as a challenge message and a stored cryptographic key.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators ist das Schwingungssignal des kaskadierten Ringoszillators ein elektrisches Schwingungssignal, welches durch die Abtasteinrichtung zum Erzeugen der Zufallsbits abgetastet wird.In one embodiment of the random generator according to the invention, the oscillation signal of the cascaded ring oscillator is a electrical vibration signal which is sampled by the sampling means for generating the random bits.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators ist das Schwingungssignal des kaskadierten Ringoszillators ein optisches Schwingungssignal, welches durch die Abtasteinrichtung zum Erzeugen der Zufallsbits abgetastet wird.In a further possible embodiment of the random generator according to the invention, the oscillation signal of the cascaded ring oscillator is an optical oscillation signal, which is sampled by the sampling device for generating the random bits.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Erzeugen von Zufallsbits, wobei die Zufallsbits erzeugt werden, indem Schaltzustände eines kaskadierten Ringoszillators abgetastet werden.The invention further provides a method for generating random bits, wherein the random bits are generated by sampling switching states of a cascaded ring oscillator.

Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen von Zufallsbits unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.In the following, possible embodiments of the random generator according to the invention and of the method according to the invention for generating random bits will be described with reference to the attached figures.

Es zeigen:Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators; 1 an embodiment of the random generator according to the invention;

2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators; 2 a further embodiment of the random generator according to the invention;

3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für einen kryptographischen Chip, der den erfindungsgemäßen Zufallsgenerator einsetzt; 3 a block diagram of an embodiment of a cryptographic chip, which uses the random number generator according to the invention;

4 ein Anwendungsbeispiel für den in 3 dargestellten kryptographischen Chip; 4 an application example for the in 3 illustrated cryptographic chip;

5–12 Signalverläufe von Ringoszillatoren, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Zufallsgenerator eingesetzt werden; 5 - 12 Waveforms of ring oscillators, as used in the random generator according to the invention;

13 ein Diagramm zur Darstellung von Mittelwerten bei einer Vielzahl von Neustarts eines erfindungsgemäßen Zufallsgenerators; 13 a diagram showing averages at a plurality of restarts of a random number generator according to the invention;

14 ein Spektrum des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators. 14 a spectrum of the random generator according to the invention.

Wie man aus 1 erkennen kann, weist ein erfindungsgemäßer Zufallsgenerator 1 zur Erzeugung von Zufallsbits mindestens zwei Ringoszillatoren auf. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Zufallsgenerator 1 einen ersten Ringoszillator 2-1 und einen zweiten Ringoszillator 2-2. Dabei ist der zweite Ringoszillator 2-2 ein kaskadierter Ringoszillator, der zu dem ersten Ringoszillator 2-1 kaskadiert verschaltet ist. Der kaskadierte Ringoszillator 2-2 weist hierzu mindestens ein Kaskadierungsgatter auf, welches ein Schwingungssignal des kaskadierten Ringoszillators 2-2 mit dem Schwingungssignal des ersten Ringoszillators 2-1 verknüpft bzw. logisch verknüpft. Neben den Ringoszillatoren 2-1, 2-2 weist der Zufallsgenerator 1 eine Abtasteinrichtung 3 auf, welche Schaltzustände des kaskadierten Ringoszillators 2-2 zur Erzeugung von Zufallsbits abtastet. Die erzeugten Zufallsbits werden an einem Signalausgang 4 des Zufallsgenerators abgegeben.How to get out 1 can recognize, has a random generator according to the invention 1 to generate random bits on at least two ring oscillators. At the in 1 illustrated embodiment, the random number generator contains 1 a first ring oscillator 2-1 and a second ring oscillator 2-2 , Here is the second ring oscillator 2-2 a cascaded ring oscillator leading to the first ring oscillator 2-1 cascaded is interconnected. The cascaded ring oscillator 2-2 has for this purpose at least one cascading gate, which is a vibration signal of the cascaded ring oscillator 2-2 with the vibration signal of the first ring oscillator 2-1 linked or logically linked. In addition to the ring oscillators 2-1 . 2-2 points the random number generator 1 a scanner 3 on which switching states of the cascaded ring oscillator 2-2 scans to generate random bits. The generated random bits are at a signal output 4 of the random number generator.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Ringoszillator 2-1, 2-2 eine Rückkoppelschleife auf, die aus mehreren zyklisch verschalteten Invertern oder Verzögerungsgliedern besteht, wobei in der jeweiligen Rückkoppelschleife ein Aktivierungsgatter vorgesehen ist, welches das rückgekoppelte Signal mit einem externen Enable-Steuersignal bzw. Start/Stop-Signal logisch verknüpft und an die Kette der seriell verschalteten Inverter oder Verzögerungsglieder der Rückkoppelschleife abgibt. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Rückkoppelschleife der Ringoszillatoren 2-1 jeweils ein NAND-Gatter auf, welches das rückgekoppelte Signal mit dem Enable-Steuersignal logisch verknüpft und an eine Kette aus vier seriell verschalteten Invertern bzw. Verzögerungsgliedern abgibt. Die Anzahl m der in der Rückkoppelschleife seriell verschalteten Inverter ist vorzugsweise ungerade. Dabei ist das Aktivierungsgatter als Inverter mitzuzählen, falls es im aktiven Zustand das Signal im Ring invertiert, was beispielsweise bei einem NAND-Gatter der Fall ist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Aktivierungsgatter, das heißt das NAND-Gatter, sowie vier Inverter seriell verschaltet, so dass die Rückkoppelschleife des Ringoszillators 2-1, das heißt der ersten Stufe des Zufallsgenerators 1, die ungerade Zahl m = 5 an invertierenden Gattern aufweist. Aufgrund der ungeraden Zahl von invertierenden Gattern kann der Ringoszillator 2-1 durch das Enable- bzw. Start/Stop-Signal angestoßen werden. Der zweite kaskadierte Ringoszillator 2-2 weist zusätzlich ein Kaskadierungsgatter auf, welches das Schwingungssignal des ersten Ringoszillators 2-1 mit dem Schwingungssignals des kaskadierten Ringoszillators 2-2 logisch verknüpft. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kaskadierungsgatter des kaskadierten Ringoszillators 2-2 ein XOR-Gatter. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Kaskadierungsgatter ein XNOR-Gatter. Das Kaskadierungsgatter des kaskadierten Ringoszillators bildet dabei einen nicht-linearen Mischer, der das Schwingungssignal des kaskadierten Ringoszillators 2-2 mit dem Schwingungssignal des ersten Ringoszillators 2-1 derart mischt, dass das Frequenzspektrum des gemischten Schwingungssignals eine Vielzahl von hochfrequenten Spektralanteilen aufweist.At the in 1 illustrated embodiment, each ring oscillator 2-1 . 2-2 a feedback loop, which consists of a plurality of cyclically interconnected inverters or delay elements, wherein in the respective feedback loop an activation gate is provided, which logically links the fed-back signal with an external enable control signal or start / stop signal and to the chain of the serially interconnected Inverter or delay elements of the feedback loop outputs. At the in 1 illustrated embodiment, the feedback loop of the ring oscillators 2-1 in each case a NAND gate, which logically combines the feedback signal with the enable control signal and outputs to a chain of four serially connected inverters or delay elements. The number m of inverters connected in series in the feedback loop is preferably odd. In this case, the activation gate must be counted as an inverter, if it inverts the signal in the ring in the active state, which is the case for example with a NAND gate. At the in 1 illustrated embodiment, the activation gate, that is, the NAND gate, and four inverters connected in series, so that the feedback loop of the ring oscillator 2-1 that is the first stage of the random number generator 1 which has odd number m = 5 at inverting gates. Due to the odd number of inverting gates, the ring oscillator 2-1 be triggered by the enable or start / stop signal. The second cascaded ring oscillator 2-2 additionally has a cascading gate which receives the oscillation signal of the first ring oscillator 2-1 with the oscillation signal of the cascaded ring oscillator 2-2 logically linked. At the in 1 illustrated embodiment is the cascading gate of the cascaded ring oscillator 2-2 an XOR gate. In an alternative embodiment, the cascading gate is an XNOR gate. The cascading gate of the cascaded ring oscillator thereby forms a non-linear mixer which converts the oscillation signal of the cascaded ring oscillator 2-2 with the vibration signal of the first ring oscillator 2-1 such that the frequency spectrum of the mixed oscillation signal has a plurality of high-frequency spectral components.

Die Abtasteinrichtung 3 tastet Schaltzustände des kaskadierten Ringoszillators 2-2 zur Erzeugung der Zufallsbits ab. Die Ringoszillatoren 2-1 weisen zyklisch verschaltete invertierende logische Gatter, beispielsweise Inverter, auf und können selbsttätig schwingen, insbesondere wenn, wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Anzahl der invertierenden Gatter einschließlich des Aktivierungsgatters ungerade ist. Der Ringoszillator erzeugt idealerweise eine Rechteckschwingung mit einer bestimmten Frequenz, wobei die Frequenz von der Dimensionierung der jeweiligen Schaltung abhängt. Einer derartigen Rechteckschwingung ist ein charakteristisches Frequenzspektrum zugeordnet, das beispielsweise durch Fourier-Analyse bestimmbar ist. Das Verknüpfungsgatter des kaskadierten Ringoszillators 2-2, welches die beiden Rechteckschwingungen der beiden Ringoszillatoren 2-1, 2-2 verknüpft, bildet einen nicht-linearen Mischer der beiden Schwingungssignale. Durch den Mischvorgang entsteht in dem Frequenzspektrum des kaskadierten Ringoszillators 2-2 eine Vielzahl von hochfrequenten Spektralanteilen. Wird beispielsweise ein XOR-Gatter oder ein XNOR-Gatter bzw. ein Komparator zur Kaskadierung eingesetzt, so entstehen durch die nicht-lineare Mischung auch Frequenzkomponenten, die den Summen und Differenzen der in den zu mischenden Signalen enthaltenen Frequenzkomponenten entsprechen. Dieser Effekt vervielfacht sich, wenn mehrere Ringoszillatoren hintereinander kaskadiert werden. Die verschiedenen Spektralanteile verursachen dabei ein von Rauschen nahezu nicht mehr unterscheidbares Frequenzspektrum.The scanning device 3 samples switching states of the cascaded ring oscillator 2-2 to generate the random bits. The ring oscillators 2-1 have cyclically interconnected inverting logic Gate, for example, inverter, and can oscillate automatically, especially if, as in the in 1 illustrated embodiment, the number of inverting gates including the activation gate is odd. The ring oscillator ideally generates a square wave with a certain frequency, the frequency depending on the dimensioning of the respective circuit. Such a rectangular oscillation is associated with a characteristic frequency spectrum that can be determined, for example, by Fourier analysis. The logic gate of the cascaded ring oscillator 2-2 , which shows the two square waves of the two ring oscillators 2-1 . 2-2 linked, forms a non-linear mixer of the two vibration signals. The mixing process results in the frequency spectrum of the cascaded ring oscillator 2-2 a large number of high-frequency spectral components. If, for example, an XOR gate or an XNOR gate or a comparator is used for cascading, the result of the non-linear mixing is also frequency components which correspond to the sums and differences of the frequency components contained in the signals to be mixed. This effect multiplies when several ring oscillators are cascaded one after the other. The different spectral components cause a frequency spectrum that is almost indistinguishable from noise.

Bei der Realisierung bzw. Implementierung der Ringoszillatoren unterliegen die Schwingungen der Ringoszillatoren zudem statistischen Schwankungen, welche sich als Phasen- und Amplitudenjitter bemerkbar machen. Weiterhin haben die unterschiedlichen Gatter nicht zu vernachlässigende Schaltzeiten und die gesamte Schaltung unterliegt einem Frequenzgang, der dazu führt, dass verschiedene Spektralanteile unterschiedlich stark verstärkt werden.In the implementation or implementation of the ring oscillators, the oscillations of the ring oscillators are also subject to statistical fluctuations, which make themselves felt as a phase and amplitude jitter. Furthermore, the different gates have not negligible switching times and the entire circuit is subject to a frequency response, which leads to different spectral components are amplified to different degrees.

Diese inhärenten Eigenschaften bei der tatsächlichen Realisierung bzw. Implementierung der kaskadierten Ringoszillatoren führen gemeinsam mit dem komplexen Frequenzspektrum zu metastabilen, nicht mehr vorhersagbaren Schaltvorgängen der kaskadierten Ringoszillatoren. Diese metastabilen Schaltvorgänge dienen als Quelle der vom erfindungsgemäßen Zufallsgenerator erzeugten Zufallsdaten bzw. Zufallsbits. Die Abtasteinrichtung 3 tastet die Schaltzustände des kaskadierten Ringoszillators 2-2, wie in 1 dargestellt, zur Erzeugung der Zufallsbits ab.These inherent properties in the actual implementation of the cascaded ring oscillators, together with the complex frequency spectrum, lead to metastable, unpredictable switching operations of the cascaded ring oscillators. These metastable switching operations serve as the source of the random data or random bits generated by the random generator according to the invention. The scanning device 3 samples the switching states of the cascaded ring oscillator 2-2 , as in 1 shown, for generating the random bits from.

Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist die Abtasteinrichtung 3 eine Sample/Hold-Schaltung zum Abtasten des Schaltzustandes des kaskadierten Ringoszillators 2-2 auf. Weiterhin kann der Sample/Hold-Schaltung S/H ein flankengetriggertes Flip Flop vorangeschaltet sein. Bei dem flankengetriggerten Flip Flop kann es sich beispielsweise um ein flankengetriggertes D-Flip Flop handeln. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl m der in der Rückkoppelschleife verschalteten Gatter für die verschiedenen Stufen bzw. Ringoszillatoren 2-1, 2-2 gleich, nämlich m = 5. Bei einer alternativen Ausführungsform können die verschiedenen Stufen eine unterschiedliche Anzahl m von seriell verschalteten Gattern aufweisen. Die Anzahl N der Stufen bzw. kaskadierten Ringoszillatoren 2-i kann bei unterschiedlichen Ausführungsformen ebenfalls unterschiedlich sein.At the in 1 illustrated embodiment, the scanning device 3 a sample / hold circuit for sampling the switching state of the cascaded ring oscillator 2-2 on. Furthermore, the sample / hold circuit S / H can be preceded by an edge-triggered flip-flop. The edge-triggered flip-flop may be, for example, an edge-triggered D flip-flop. At the in 1 illustrated embodiment, the number m of the interconnected in the feedback loop gate for the various stages or ring oscillators 2-1 . 2-2 equal to m = 5. In an alternative embodiment, the different stages may have a different number m of serially connected gates. The number N of stages or cascaded ring oscillators 2-i may also be different in different embodiments.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators mit drei Stufen. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform weist der Zufallsgenerator 1 drei Ringoszillatoren 2-1, 2-2, 2-3 auf. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen alle drei Ringoszillatoren 2-1, 2-2, 2-3 ein Verknüpfungsgatter auf und bilden somit kaskadierte Ringoszillatoren. Weiterhin weisen alle kaskadierten Ringoszillatoren 2-1, 2-2, 2-3 jeweils ein Aktivierungsgatter auf, welches das Ausgangssignal des jeweils Kaskadierungsgatters mit einem externen Enable-Steuersignal verknüpft und an eine Kette von seriell verschalteten Invertern oder Verzögerungsgliedern der Rückkoppelschleife abgibt. Im Ausführungsbeispiel in 2 sind die kaskadierten Ringoszillatoren 2-1, 2-2, 2-3 zyklisch miteinander verschaltet. Die Entropie bzw. die Zufälligkeit der metastabilen Schaltzustände nimmt mit zunehmender Anzahl der Ringoszillatoren zu. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abtasteinrichtung 3 mit der Rückkoppelschleife des dritten kaskadierten Ringoszillators 2-3 verbunden und tastet die Schaltzustände des kaskadierten Ringoszillators 2-3 zur Erzeugung von Zufallsbits ab. Bei einer möglichen Ausführungsform ist, wie in 2 dargestellt, eine Abtasteinrichtung 3 für den kaskadierten Ringoszillator der höchsten Stufe vorgesehen. Bei einer möglichen Ausführungsform können weitere Abtasteinrichtungen 3 für die übrigen kaskadierten Ringoszillatoren vorgesehen sein. 2 shows a further embodiment of the random generator according to the invention with three stages. At the in 2 illustrated embodiment, the random number generator 1 three ring oscillators 2-1 . 2-2 . 2-3 on. At the in 2 illustrated embodiment, all three ring oscillators 2-1 . 2-2 . 2-3 a logic gate and thus form cascaded ring oscillators. Furthermore, all have cascaded ring oscillators 2-1 . 2-2 . 2-3 in each case an activation gate, which combines the output signal of each cascade gate with an external enable control signal and outputs to a chain of serially connected inverters or delay elements of the feedback loop. In the embodiment in 2 are the cascaded ring oscillators 2-1 . 2-2 . 2-3 cyclically interconnected. The entropy or randomness of the metastable switching states increases as the number of ring oscillators increases. At the in 2 illustrated embodiment, the scanning device 3 with the feedback loop of the third cascaded ring oscillator 2-3 connected and samples the switching states of the cascaded ring oscillator 2-3 for generating random bits. In one possible embodiment, as in 2 shown, a scanning device 3 intended for the cascaded ring oscillator of the highest level. In one possible embodiment, further scanning devices may be used 3 be provided for the remaining cascaded ring oscillators.

Die Ringoszillatoren sowie die kaskadierten Ringoszillatoren werden bei einer möglichen Ausführungsform schaltungstechnisch in einfacher Weise mittels FPGAs realisiert. Durch die Kaskadierung der Ringoszillatoren lassen sich auf einfache Weise metastabile Zustände der Schaltung erzeugen, welche die Grundlage für ein zufälliges Verhalten des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators 1 bildet. Beim erfindungsgemäßen Zufallsgenerator 1 ist keine analoge oder digitale Regelschaltung notwendig, um einen metastabilen Schaltzustand zu bilden bzw. aufrechtzuerhalten.The ring oscillators and the cascaded ring oscillators are realized in a possible embodiment circuit technology in a simple manner by means of FPGAs. By cascading the ring oscillators can be generated easily metastable states of the circuit, which is the basis for a random behavior of the random generator according to the invention 1 forms. When random generator according to the invention 1 No analog or digital control circuitry is needed to establish or maintain a metastable switching state.

Der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 wird vorzugsweise aus rein digitalen Schaltungskomponenten aufgebaut. Daher ist es nicht notwendig, einen Arbeitspunkt einer analogen Schaltung einzustellen bzw. nachzuregeln. Durch die Verwendung rein digitaler Schaltungskomponenten können die jeweiligen Ringoszillatoren bzw. der gesamte Zufallsgenerator in einem Standardprozess zur Fertigung digitaler Schaltkreise gefertigt werden.The random generator according to the invention 1 is preferably constructed of purely digital circuit components. Therefore, it is not necessary to adjust or readjust an operating point of an analog circuit. By using purely digital circuit components, the respective ring oscillators or the entire random generator can be manufactured in a standard process for the production of digital circuits.

Dadurch dass alle Signalflanken der Schwingungen der kaskadierten Ringoszillatoren die gleichen elektronischen Schaltungskomponenten nacheinander durchlaufen, wirken sich Änderungen der Umweltbedingungen oder der elektrischen Eigenschaften der Elektronik in gleicher Weise auf alle Signalflanken des Schwingungsvorgangs aus. Dadurch ist der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 robust gegenüber externen Einflüssen, Fertigungsstreuungen und Alterungsvorgängen.Because all the signal edges of the oscillations of the cascaded ring oscillators pass through the same electronic circuit components in succession, changes in the environmental conditions or the electrical properties of the electronics have the same effect on all signal edges of the oscillation process. As a result, the random generator according to the invention 1 Robust to external influences, manufacturing variations and aging processes.

Aufgrund des einfachen schaltungstechnischen Aufbaus des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators 1 lässt sich dieser in einfacher Weise in ein kryptographisches System einbetten bzw. in einem kryptographischen Chip integrierten. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Zufallsgenerator 1. Die durch den Zufallsgenerator 1 gebildeten Zufallsbits bilden eine Zufallszahl, die in einem Datenspeicher 5 zur weiteren Datenverarbeitung zwischengespeichert werden kann. Bei diesem Datenspeicher 5 kann es sich beispielsweise um ein Datenregister handeln. Die gebildete und zwischengespeicherte Zufallszahl kann beispielsweise ein Nounce-Wert oder ein kryptographischer Schlüssel sein. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zufallsgenerator 1 in einem kryptographischen Chip 6 integriert, der über eine Berechnungseinheit 7 verfügt. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel berechnet der kryptographische Chip 6 mittels seiner Berechnungseinheit in Abhängigkeit von einer empfangenen Challenge C, einem in einem Speicher 8 abgelegten privaten Schlüssel K_priv und in Abhängigkeit der in dem Speicher 5 zwischengespeicherten Zufallszahl, welche durch den erfindungsgemäßen Zufallsgenerator 1 erzeugt wird, eine Response-Nachricht R. Bei dem in 3 dargestellten Anwendungsbeispiel liefert der erfindungsgemäße Zufallsgenerator somit eine Zufallszahl für einen kryptographischen Chip 6, der mittels eines Algorithmus eine Response berechnet.Due to the simple circuit construction of the random generator according to the invention 1 This can be easily embedded in a cryptographic system or integrated in a cryptographic chip. 3 shows an application example of a random generator according to the invention 1 , The by the random number generator 1 formed random bits form a random number in a data memory 5 can be cached for further data processing. In this data store 5 for example, it may be a data register. The formed and cached random number may be, for example, a nounce value or a cryptographic key. At the in 3 illustrated embodiment is the random number generator 1 in a cryptographic chip 6 integrated, which has a calculation unit 7 features. At the in 3 illustrated embodiment calculates the cryptographic chip 6 by means of its calculation unit as a function of a received challenge C, one in a memory 8th stored private key K _priv and depending on the memory 5 cached random number, which by the random generator according to the invention 1 is generated, a response message R. In the in 3 shown application example, the random generator according to the invention thus provides a random number for a cryptographic chip 6 which calculates a response using an algorithm.

Der in 3 dargestellte kryptographische Chip 6 kann beispielsweise an einem Produkt, insbesondere einem Wegwerfartikel, angebracht sein. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel ist der kryptographische Chip 6 an einer Druckerpatrone 9 angebracht, die von einem Drucker 10 eine Challenge-Nachricht C erhält. Der an der Druckerpatrone angebrachte kryptographische Chip 6 berechnet in Abhängigkeit von der erhaltenen Challenge-Nachricht C mit Hilfe der durch den Zufallsgenerator erzeugten Zufallszahl eine entsprechende Response-Nachricht R, die von dem Drucker 10 verifiziert wird. Bei dem in 4 dargestellten Anwendungsbeispiel kann der Drucker 10 somit feststellen, ob die eingelegte Druckerpatrone 9 eine zulässige Druckerpatrone des jeweiligen Herstellers des Druckers ist.The in 3 illustrated cryptographic chip 6 For example, it may be attached to a product, especially a disposable item. At the in 4 The example shown is the cryptographic chip 6 on a printer cartridge 9 attached by a printer 10 receives a challenge message C. The cryptographic chip attached to the print cartridge 6 calculates, in response to the obtained challenge message C, by means of the random number generated by the random number generator, a corresponding response message R received from the printer 10 is verified. At the in 4 shown application example, the printer 10 Thus, determine if the inserted printer cartridge 9 is an allowable print cartridge of the respective manufacturer of the printer.

Der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 lässt sich für verschiedene Sicherheitsanwendungen einsetzen. Insbesondere können aus den erzeugten Zufallsbits kryptographische Schlüssel und einmalig verwendete Zufallswerte, sogenannte Nounces, abgeleitet werden. Die von dem erfindungsgemäßen Zufallsgenerator 1 generierten Zufallsbits sind gleichverteilt und voneinander statistisch unabhängig. Der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 erzeugt somit Zufallsbits mit einer sehr hohen Entropie. Der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 lässt sich mit einer geringen Anzahl digitaler elektrischer Komponenten in integrierten Schaltkreisen implementieren. Unter Einsatz herkömmlicher Hardware-Beschreibungssprachen, wie beispielsweise VHDL oder Verilog, ist es möglich unter Verwendung von logischen Standardkomponenten einer Zellbibliothek zur IC Entwicklung einen erfindungsgemäßen Zufallsgenerator 1 automatisch herzustellen bzw. zu synthetisieren, wodurch er auch für den Einsatz in Field Programable Gate Arrays FPGAs geeignet ist.The random generator according to the invention 1 can be used for various security applications. In particular, cryptographic keys and randomly used random values, known as nounces, can be derived from the generated random bits. The of the random generator according to the invention 1 generated random bits are equally distributed and statistically independent of each other. The random generator according to the invention 1 thus generates random bits with a very high entropy. The random generator according to the invention 1 can be implemented with a small number of digital electrical components in integrated circuits. Using conventional hardware description languages such as VHDL or Verilog, it is possible to use a random number generator of the present invention using standard logical components of a cell library for IC development 1 automatically manufacture or synthesize, making it suitable for use in field programmable gate arrays FPGAs.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators 1 ist das Schwingungssignal des kaskadierten Ringoszillators ein elektrisches Signal, welches durch die Abtasteinrichtung 3 zur Erzeugung der Zufallsbits abgetastet wird.In a possible embodiment of the random generator according to the invention 1 For example, the oscillation signal of the cascaded ring oscillator is an electrical signal generated by the sampling device 3 is sampled to generate the random bits.

Bei einer möglichen alternativen Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 optisch aufgebaut und der kaskadierte Ringoszillator weist ein optisches Schwingungssignal auf, das durch eine Abtasteinrichtung optisch abgetastet wird, welche das abgetastete Signal anschließend in ein elektrisches Signal umwandelt.In a possible alternative embodiment, the random generator according to the invention 1 optically constructed and the cascaded ring oscillator has an optical vibration signal, which is optically scanned by a scanning device, which then converts the sampled signal into an electrical signal.

5a, 5b zeigen zwei Signaldiagramme eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators 1, der über zwei Ringoszillatoren 2-1, 2-2 verfügt. Das obere Diagramm zeigt den Signal- bzw. Spannungsverlauf in dem ersten Ringoszillator 2-1. Die untere Kurve zeigt den Signalverlauf in einem zweiten kaskadierten Ringoszillator 2-2. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der kaskadierte Ringoszillator eine Länge von m = 21 Gattern auf. Bereits bei einem Zufallsgenerator 1, der lediglich zwei Ringoszillatoren aufweist, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Frequenzanteile des Spektrums bereits ein sehr komplexer Spannungsverlauf in dem kaskadierten Ringoszillator, wie in 5a, 5b zu sehen ist. 5a . 5b show two signal diagrams of an embodiment of the random generator according to the invention 1 , which has two ring oscillators 2-1 . 2-2 features. The upper diagram shows the signal or voltage curve in the first ring oscillator 2-1 , The lower curve shows the signal curve in a second cascaded ring oscillator 2-2 , In the illustrated embodiment, the cascaded ring oscillator has a length of m = 21 gates. Already at a random generator 1 , which has only two ring oscillators, arises due to the different frequency components of the spectrum already a very complex voltage waveform in the cascaded ring oscillator, as in 5a . 5b you can see.

6a, 6b zeigen Signalverläufe bei einem Ringoszillator mit weiteren Stufen, nämlich einen dritten kaskadierten Ringoszillator und einen vierten kaskadierten Ringoszillator. Der obere Signalverlauf zeigt das Verhalten eines dritten kaskadierten Ringoszillators 2-3 und das untere Diagramm zeigt einen Signalverlauf eines vierten kaskadierten Ringoszillators 2-4. Wie man aus 6a, 6b erkennen kann, ist bereits in der dritten und vierten Stufe des Zufallsgenerators kein periodisches Verhalten mehr in dem Signalverlauf erkennbar. 6a . 6b show waveforms in a ring oscillator with further stages, namely a third cascaded ring oscillator and a fourth cascaded ring oscillator. The upper waveform shows the behavior of a third cascaded ring oscillator 2-3 and the lower diagram shows a waveform of a fourth cascaded ring oscillator 2-4 , How to get out 6a . 6b can recognize, even in the third and fourth stages of the random number generator no periodic behavior in the waveform can be seen.

7a, 7b zeigen den Signalverlauf eines dritten kaskadierten Ringoszillators 2-3 und eines vierten kaskadierten Ringoszillators bei einer anderen Messung. Wie man aus dem Diagramm erkennen kann, verhalten sich die Ringoszillatoren zunächst für eine Zeitdauer von etwa 100 ns, ähnlich wie in . Nach Verstreichen dieser Zeit zeigen die Spannungsverläufe bzw. die Signalkurven dann zufallsbedingt einen völlig unterschiedlichen Verlauf. Durch das verschiedene Verhalten trotz gleicher Anfangsbedingungen ist der echte Zufall charakterisiert. Nach einer Einschwingzeit von beispielsweise 100 ns sind daher die erzeugten Zufallsbits völlig zufällig. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zufallsgenerators 1 werden Zufallsbits daher erst nach einer vorgegebenen konfigurierbaren Einschwingzeit abgetastet und zwischengespeichert. 7a . 7b show the waveform of a third cascaded ring oscillator 2-3 and a fourth cascaded ring oscillator in another measurement. As can be seen from the diagram, the ring oscillators initially behave for a period of about 100 ns, similar to , After this time has passed, the voltage curves or the signal curves then show a completely different course due to chance. Due to the different behavior despite the same initial conditions, the real coincidence is characterized. After a settling time of, for example, 100 ns, the generated random bits are therefore completely random. In a possible embodiment of the random generator according to the invention 1 Random bits are therefore sampled and buffered only after a predetermined configurable settling time.

Die 8a, 8b zeigen Signalverläufe bzw. Ausgangsspannungen eines sechsten Ringoszillators 2-6 und eines siebten Ringoszillator 2-7 eines erfindungsgemäßen Zufallsgenerators 1.The 8a . 8b show signal waveforms and output voltages of a sixth ring oscillator 2-6 and a seventh ring oscillator 2-7 a random generator according to the invention 1 ,

9a, 9b zeigen die Signalverläufe bzw. Ausgangsspannungen eines sechsten Ringoszillators und eines siebten Ringoszillators 2-7 bei einer anderen Messung. Wiederum ist aus den 9a, 9b im Vergleich zu den 8a, 8b zu erkennen, dass die Ringoszillatoren nach einer kurzen Einschwingzeit ein völlig unterschiedliches Verhalten aufweisen. 9a . 9b show the waveforms and output voltages of a sixth ring oscillator and a seventh ring oscillator 2-7 in another measurement. Again, out of the 9a . 9b in comparison to the 8a . 8b to recognize that the ring oscillators have a completely different behavior after a short settling time.

Die 10a, 10b zeigen direkt gemessene Ausgangsspannungen bzw. Signalverläufe eines sechsten Ringoszillators und eines siebten Ringoszillators 2-7 gemittelt über 1000 jeweils neu gestartete Messungen. Wie man aus den 10a, 10b erkennen kann, sinkt ein anfänglich deterministisches Verhalten bei dem siebten Ringoszillator 2-7 deutlich schneller ab, das heißt die Einschwingzeit verkürzt sich mit zunehmender Stufe des Zufallsgenerators.The 10a . 10b show directly measured output voltages or waveforms of a sixth ring oscillator and a seventh ring oscillator 2-7 averaged over 1000 newly started measurements. How to get out of the 10a . 10b can detect an initial deterministic behavior in the seventh ring oscillator decreases 2-7 significantly faster, that is, the settling time is shortened with increasing stage of the random number generator.

Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Kaskadierung der Ringoszillatoren zyklisch. Die 11 zeigt das Signalverhalten der zyklisch kaskadierten Ringoszillatoren 2-1, 2-2, 2-3, wie er in 2 aufgebaut ist, wobei die Länge bzw. die Anzahl der zyklisch verschalteten Gatter bei dem gemessenen Ausführungsbeispiel 13 beträgt.At the in 2 illustrated embodiment, the cascading of the ring oscillators is cyclic. The 11 shows the signal behavior of the cyclically cascaded ring oscillators 2-1 . 2-2 . 2-3 as he is in 2 is constructed, wherein the length or the number of cyclically interconnected gates is 13 in the measured embodiment.

12 zeigt den Spannungsverlauf bzw. das Signalverhalten der drei zyklisch kaskadierten Ringoszillatoren 2-1, 2-2, 2-3 bei einer anderen Messung. Durch Vergleich der 11, 12 ist ersichtlich, dass sich die Ringoszillatoren bereits nach kurzer Zeit völlig unterschiedlich verhalten. 12 shows the voltage curve or the signal behavior of the three cyclically cascaded ring oscillators 2-1 . 2-2 . 2-3 in another measurement. By comparing the 11 . 12 It can be seen that the ring oscillators behave completely differently after a short time.

13 zeigt Mittelwerte von tausend Neustarts der zyklisch kaskadierten Ringoszillatoren 2-1, 2-2, 2-3 bei der in 2 dargestellten Variante. Wie man aus 13 erkennen, ist bereits nach 200 ns eine weitgehende Gleichverteilung erreicht. 13 shows averages of a thousand restarts of the cyclically cascaded ring oscillators 2-1 . 2-2 . 2-3 at the in 2 illustrated variant. How to get out 13 recognize, already after 200 ns an extensive equal distribution is reached.

14 zeigt ein Signalspektrum der zyklisch kaskadierten Ringoszillatoren bei der in 2 dargestellten Ausführungsform. Aus dem dargestellten Spektrum ist zu erkennen, dass keine ausgeprägten Peaks vorhanden sind, die zu erwarten wären, wenn noch wesentliche periodische Anteile in dem Ausgangssignal des Zufallsgenerators vorhanden sein würden. 14 shows a signal spectrum of the cyclically cascaded ring oscillators at the in 2 illustrated embodiment. From the spectrum shown, it can be seen that there are no pronounced peaks that would be expected if significant periodic components were still present in the output signal of the random number generator.

Der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 erzeugt somit Zufallsbits mit einer sehr hohen Entropie und ist gleichzeitig schaltungstechnisch in einfacher Weise implementierbar bzw. herstellbar.The random generator according to the invention 1 thus generates random bits with a very high entropy and at the same time can be implemented or produced in a simple manner.

Aufgrund der erzeugten hohen Entropie eignet sich der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 auch für kryptographische Berechnungsverfahren, insbesondere zur Verschlüsselung und Entschlüsselung von übertragenen Daten.Due to the high entropy generated, the random generator according to the invention is suitable 1 also for cryptographic calculation methods, in particular for the encryption and decryption of transmitted data.

Die Anzahl der kaskadierten Ringoszillatoren 2-i innerhalb des Zufallsgenerators 1 sowie die Anzahl der zyklisch verschalteten Gatter kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Sicherheitsanforderungen konfiguriert werden. Je höher die Sicherheitsanforderung desto höher wird die Anzahl der kaskadierten Ringoszillatoren konfiguriert. Daher ist der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 in einfacher Weise auf das geforderte Sicherheitsniveau anpassbar. Für einfache, weniger sicherheitskritische Anwendungen weist der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 eine geringere Anzahl von kaskadierten Ringoszillatoren auf. Für höhere Sicherheitsanforderungen wird eine höhere Anzahl kaskadierter Ringoszillatoren eingesetzt. Der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 lässt sich mittels programmierter FPGA-Schaltungen aufbauen. Alternativ kann der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 auch als anwenderspezifische integrierte Schaltung ASIC aufgebaut werden.The number of cascaded ring oscillators 2-i within the random number generator 1 as well as the number of cyclically interconnected gates can be configured depending on the respective security requirements. The higher the security requirement, the higher the number of cascaded ring oscillators is configured. Therefore, the random generator according to the invention 1 easily adaptable to the required security level. For simple, less safety-critical applications, the random generator according to the invention 1 a smaller number of cascaded ring oscillators. For higher safety requirements, a higher number of cascaded ring oscillators is used. The random generator according to the invention 1 can be set up by means of programmed FPGA circuits. Alternatively, the random generator according to the invention 1 can also be constructed as a user-specific integrated circuit ASIC.

Bei einer Ausführungsform sind die verschieden kaskadierten Ringoszillatorstufen bzw. Ringoszillatoren 2-i fest verdrahtet. Bei einer möglichen Ausführungsform lassen sich je nach gefordertem Sicherheitsniveau kaskadierte Ringoszillatoren hinzu- bzw. hinwegschalten. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen der Abtasteinrichtung 3 und den kaskadierten Ringoszillatoren 2-i eine Schalteinrichtung, beispielsweise ein Multiplexer vorgesehen. Durch Wegschalten von nicht erforderlichen kaskadierten Ringoszillatoren 2-i bei entsprechend niedrigem Sicherheitsniveau lässt sich im Betrieb die Strom- und Leistungsaufnahme des Zufallsgenerators verändern.In one embodiment, the differently cascaded ring oscillator stages or ring oscillators 2-i hardwired. In one possible embodiment, depending on the required level of security, cascaded ring oscillators can be added or removed. In this embodiment, there is between the scanning device 3 and the cascaded ring oscillators 2-i a switching device, for example a multiplexer is provided. By switching off unnecessary cascaded ring oscillators 2-i With a correspondingly low safety level, the current and power consumption of the random generator can be changed during operation.

Die Frequenzen des in den kaskadierten Ringoszillatoren auftretenden Schwingungssignals liegen bei einer möglichen Ausführungsform im MHz-Bereich. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform liegen die Frequenzen der kaskadierten Ringoszillatoren im GHz-Bereich.The frequencies of the oscillation signal occurring in the cascaded ring oscillators are in the MHz range in one possible embodiment. In a further possible embodiment, the frequencies of the cascaded ring oscillators are in the GHz range.

Bei einer möglichen Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Zufallsgenerator 1 auf einen Chip eines Produktes oder einer Maschine integriert, beispielsweise auf einem RFID-Chip. Ein derartiger Chip kann beispielsweise zur Produktkennung bzw. Produktkennzeichnung und zur Bekämpfung von Produktpiraterie eingesetzt werden. Weitere Anwendungsbeispiele sind Schlüsselerzeugung sowie kryptographische Verfahren zur Verhinderung von Angriffen bei der Datenübertragung.In one possible embodiment, the random generator according to the invention 1 integrated on a chip of a product or a machine, for example on an RFID chip. Such a chip can be used for example for product identification or product identification and for combating product piracy. Other application examples are key generation and cryptographic methods for preventing attacks during data transmission.

Claims

Random number generator ( 1 ) for generating random bits with at least one cascaded ring oscillator ( 2-i ) and with a scanner ( 3 ), which switching states of the cascaded ring oscillator ( 2-i ) to generate the random bits.

A random number generator according to claim 1, wherein the cascaded ring oscillator ( 2-i ) comprises a cascading gate which generates a vibration signal of the cascaded ring oscillator ( 2-i ) with an oscillation signal of at least one further ring oscillator ( 2-i ) connected.

A random number generator according to claim 2, wherein the cascading gate of the cascaded ring oscillator ( 2-i ) forms a non-linear mixer which converts the oscillation signal of the cascaded ring oscillator ( 2-i ) with the vibration signal of at least one further ring oscillator ( 2-i ) such that the frequency spectrum of the mixed oscillation signal has a plurality of high-frequency spectral components.

A random number generator according to claim 2 or 3, wherein the cascading gate is an XOR gate or an XNOR gate.

Random generator according to claims 1-4, wherein the cascaded ring oscillator ( 2-i ) has a feedback loop, which consists of a plurality of cyclically interconnected inverters or delay elements and generates a swing signal, in particular a square wave signal.

Random generator according to claims 2-5, wherein in the feedback loop of the ring oscillator, an activation gate, in particular a NAND gate is provided which combines the output of the Kaskadierungsgatters with an external enable control signal and outputs to a chain of serially connected inverters or delay elements of the feedback loop ,

A random number generator according to claim 6, wherein the sum of the number of inverters connected in series in the feedback loop and the number of the activation gate inverting the signal in the ring oscillator is odd.

A random number generator according to claims 1-7, wherein the sampling device ( 3 ) has a sample / hold circuit for sampling the switching state of the cascaded ring oscillator or an edge-triggered flip-flop.

Randomizer according to claims 1-8, wherein the random number generator ( 1 ) is formed by a programmed FPGA circuit or by an ASIC circuit.

Randomizer according to claims 1-9, wherein the generated random bits form a random number stored in a data memory ( 5 ) is buffered for further data processing.

The random number generator of claim 10, wherein the random number forms a nounce value or a cryptographic key.

Randomizer according to claims 1-11, wherein the random number generator ( 1 ) in a cryptographic calculation unit ( 6 ) and provides a random number consisting of several random bits, which is used to perform a cryptographic calculation.

Random generator according to claim 12, wherein the cryptographic calculation unit ( 6 ) a challenge message (C) in response to the random number generator ( 1 ) and a stored cryptographic key.

Random generator according to claim 12, wherein the cryptographic calculation unit ( 6 ) a response message (R) in response to the random number generator ( 1 ), a challenge message (C) and a stored cryptographic key.

Random generator according to claims 1-3, wherein the oscillation signal of the cascaded ring oscillator ( 2-i ) is a periodic electrical vibration signal or a periodic optical vibration signal, which is detected by the scanning device ( 3 ) is sampled to generate the random bits.

Method for generating random bits, wherein the random bits are generated by switching states of a cascaded ring oscillator ( 2-i ) are scanned.