CN106383691A - 一种随机数产生方法及随机数产生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随机数产生方法及随机数产生器，其中，该方法包括：多个物理随机源对产生的物理信号进行数字化处理，并将处理得到的数字信号发送到S盒；所述S盒对所述数字信号进行非线性置换处理，并将置换处理结果输出到异或模块；所述异或模块对所述置换处理结果进行异或处理，并将异或处理结果输出到后处理模块；所述后处理模块消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系，输出随机数。本发明实施例提供的一种随机数产生方法及随机数产生器，有效地解决对物理随机源异或攻击的问题，即使攻击者对异或处的某个物理随机源输入进行了攻击，但由于S盒具有混淆性的特点，使得后处理的输入仍然包含该随机源的信息。

Description

一种随机数产生方法及随机数产生器

技术领域

本发明涉及芯片技术领域，尤其涉及一种随机数产生方法及随机数产生器。

背景技术

在以密码学为基础的信息安全领域中，随机数扮演着重要的角色：密钥的生成、数字签名、认证和鉴别以及各种安全通信协议都离不开高质量的随机数。从某种意义上讲，随机数的安全性确定了整个安全体系的安全性。密码学领域对随机数的要求很高，从安全的角度来说，真正意义上的随机数是最可靠的。真正的随机数是完全不可预测的，任何一个随机数都不可能由其他的数推测得到。电路系统中常见的产生随机数的方法有三种：噪声源直接放大法、抖动振荡器采样法和离散时间的混沌系统映射。

如图1所示，为现有技术中随机数产生器结构示意图，物理随机源经过数字化后，进入后处理算法模块，后处理算法的目的是消除数字化后的随机数中包含的偏差和依赖关系。后处理算法的输出作为随机数产生器的输出。在只有一个物理随机源的随机数产生器中，如果物理随机源被攻击或者由于外部环境等其他原因停止工作，那么随机数产生器的输出为常数或者是攻击者可以预测的值，此时产生的随机数已经不随机。

因此，在随机数产生器中会增加多个物理随机源，使得随机数产生器更加健壮。根据行业标准的要求，由物理随机源直接生成的随机数或者生成的随机数扩展算法的初始输入必须由全部物理随机源的输出经异或运算产生。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术存在以下问题：如果攻击者在如图2所示的随机数产生器上切断异或输入的某条线时，那么后处理的输入就未包含该随机源的信息，这相当于该随机源已经失效，因此现有技术中缺乏一种能够对包含多个物理随机源的随机数产生器受到攻击时进行有效防护的方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何提供一种能够对包含多个物理随机源的随机数产生器受到攻击时进行有效防护的方法。

解决方案

为解决以上技术问题，本发明实施例在第一方面提供一种随机数产生方法，包括：多个物理随机源对产生的物理信号进行数字化处理，并将处理得到的数字信号发送到S盒；所述S盒对所述数字信号进行非线性置换处理，并将置换处理结果输出到异或模块；所述异或模块对所述置换处理结果进行异或处理，并将异或处理结果输出到后处理模块；所述后处理模块消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系，输出随机数。

在一种可能的实现方式中，所述S盒根据实际需求自行设计或从分组密码算法中选择。

在一种可能的实现方式中，当所述物理随机源的个数为n时，n为大于1的正整数，则S盒为n比特输入、n比特输出的S盒。

在一种可能的实现方式中，所述后处理模块采用线性反馈移位寄存器、分组密码算法或杂凑函数消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系。

为解决上述技术问题，本发明实施例在第二方面提供一种随机数产生器，包括：多个物理随机源、S盒、异或模块、后处理模块，所述多个物理随机源、所述S盒、所述异或模块、所述后处理模块分别依次相连；所述多个物理随机源对产生的物理信号进行数字化处理，并将处理得到的数字信号发送到S盒；所述S盒对所述数字信号进行非线性置换处理，并将置换处理结果输出到异或模块；所述异或模块对所述置换处理结果进行异或处理，并将异或处理结果输出到后处理模块；所述后处理模块消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系，输出随机数。

在一种可能的实现方式中，所述S盒根据实际需求自行设计或从分组密码算法中选择。

在一种可能的实现方式中，当所述物理随机源的个数为n时，n为大于1的正整数，则S盒为n比特输入、n比特输出的S盒。

在一种可能的实现方式中，所述后处理模块采用线性反馈移位寄存器、分组密码算法或杂凑函数消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系。

有益效果

本发明实施例提供的一种随机数产生方法及随机数产生器，有效地解决对物理随机源异或攻击的问题，即使攻击者对异或处的某个物理随机源输入进行了攻击，但由于S盒具有混淆性的特点，使得后处理的输入仍然包含该随机源的信息。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1示出现有技术中随机数产生器的组成示意图；

图2示出现有技术中随机数产生器的物理随机源收到攻击时的示意图；

图3示出本发明实施例提供的随机数产生方法的流程图；

图4示出本发明实施例提供的随机数产生器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例1

图3示出本发明实施例提供的随机数产生方法的流程图，如图3所示，该方法包括：

步骤S301：多个物理随机源对产生的物理信号进行数字化处理，并将处理得到的数字信号发送到S盒；

物理随机源用于产生具有随机特性的物理信号，在产生随机物理信号后，经过数字化处理转换成数字信号。各种随机物理过程如宇宙噪声、电路的热噪声和放射性衰变等均可用来产生随机物理信号。其中与IC工艺兼容的三种物理随机源产生方法包括：噪声源直接放大法、抖动振荡器采样法、离散时间的混沌系统映射。

1、噪声源直接放大法：电路中的噪声主要来源有散粒噪声、接触噪声、突发噪声、雪崩噪声、热噪声等。在芯片设计中，电路中大电阻的热噪声是最易于获得的随机物理信号。最常见的电阻噪声源电路广泛应用于芯片式或板卡式的随机数产生器的设计中。由于真随机数产生器所需要的是均匀分布的高斯型噪声，因此在噪声发生器中应尽量突出噪声源电阻所产生的热噪声的贡献，并尽量抑制由运算放大器所产生的1/f噪声和突发噪声等非高斯型的噪声。低噪声运算放大器的噪声指标越低越好。

高速度高性能的数字物理噪声源芯片的核心部分采用噪声迭代环原理来提高输出数据的不可预测性。噪声的影响在这个环内被不断放大，经迭代后，这种噪声的影响就将和电路的初始状态混在一起，使得几次迭代后的电路的状态完全无法估计，当然也就不可预测。采用参数略微拉开的两路噪声迭代环，在数据处理部分，利用异或来进一步改善数据的比，两路信号异或01还将增加对输出数预测的难度。

2、抖动振荡器采样法：即通过一个高电平触发的D触发器把两个独立的方波进行数字混合，用低速波来采样高速波，这种方法是利用环形振荡器的频率抖动来作为随机源的。

环形振荡器产生低频的时钟作为D触发器的时钟输入端，压控振荡器VCO(或CCO)产生的高频数据作为D触发器的数据输入端。经过D触发器采样输出后，产生一位真随即数RGB。输出端经过伪随机网络后，通过D/A转换电路反馈到VCO的输入。这样就使得每次采样间隔内高频数据的频率都不同，从而增强了每次采样结果的随机性。当高频数据的频率在低频时钟频率一半的整数倍时，输出随机数的统计特性最差。为了保证输出数据的随机性能，低频时钟和高频数据要求互不相关且频率偏差较大。

此外，有的芯片采用噪声迭代环原理来提高输出数据的不可预测性。噪声的影响在这个环内被不断放大，经迭代后，这种噪声的影响就将和电路的初始状态混在一起，使得几次迭代后的电路的状态完全无法预测。

3、离散时间的混沌系统映射：利用混沌电路本质特点不可预测性、对初始条件的敏感的依赖性以及混沌电路在芯片中易于实现的特点，就使其成为制作真随机数产生器芯片很好的选择。

真随机数产生器芯片中混沌电路的实现方法例如有：双环振荡的电路结构；利用开关电容实现的混沌电路等。其中双环振荡的电路结构产生两个洛伦兹奇怪吸引子分别代表0和1，经采样量化后可得到真随机数。

步骤S302：所述S盒对所述数字信号进行非线性置换处理并将置换处理结果输出到异或模块；

在密码学中，S盒(Substitution-box)是对称密钥算法执行置换计算的基本结构，是非线性结构，其密码强度直接决定了密码算法的好坏。S盒的功能就是一种简单的“代替”操作，一个n输入、m输出的S盒所实现的功能是从二元域F2上的n维向量空间F2到二元域F2上的m维向量空间F2的映射：F2——>F2,该映射被称为S盒代替函数。构造S盒常用的方法有如下3种：随机选择、人为构造和数学方法构造。

在本发明实施例中，所述S盒是自行设计的或从分组密码算法中选择的。当所述物理随机源的个数为n时，n为大于1的正整数，则S盒为n比特输入、n比特输出的S盒。

步骤S303：所述异或模块对所述置换处理结果进行异或处理，并将异或处理结果输出到后处理模块；

异或，英文为exclusive OR，或缩写成xor。异或(xor)是一个数学运算，它应用于逻辑运算。异或的数学符号为计算机符号为“xor”。其运算法则为：如果a、b两个值不相同，则异或结果为1。如果a、b两个值相同，异或结果为0。

异或也叫半加运算，其运算法则相当于不带进位的二进制加法：二进制下用1表示真，0表示假，则异或的运算法则为： (同为0，异为1)，这些法则与加法是相同的，只是不带进位。

步骤S304：所述后处理模块消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系，输出随机数。

后处理模块例如可以采用线性反馈移位寄存器、分组密码算法或杂凑函数进行后处理以消除芯片内部可能存在的偏差和依赖关系。线性反馈移位寄存器(linear feedbackshift register，LFSR)是指给定前一状态的输出，将该输出的线性函数再用作输入的移位寄存器。异或运算是最常见的单比特线性函数：对寄存器的某些位进行异或操作后作为输入，再对寄存器中的各比特进行整体移位。

分组密码算法是将明文消息编码表示后的数字(简称明文数字)序列，划分成长度为n的组(可看成长度为n的矢量)，每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字(简称密文数字)序列。

杂凑函数(Cryptographic hash function)，又译为密码散列函数、加密散列函数，是散列函数的一种。它被认为是一种单向函数，要由散列函数输出的结果，回推输入的资料是什么，是非常困难的。这种散列函数的输入资料，通常被称为讯息(message)，而它的输出结果，经常被称为讯息摘要(message digest)或是摘要(digest)。

本领域技术人员应当了解，凡是能够实现对异或处理结果中的偏差和依赖关系进行消除的后处理方法均应包含在本发明要求保护的范围之内，本发明实施例仅以线性反馈移位寄存器、分组密码算法或杂凑函数进行示例，但并不构成对本发明保护范围的限制。

本发明实施例的随机数产生方法，有效地解决对物理随机源异或攻击的问题，即使攻击者对异或处的某个物理随机源输入进行了攻击，但由于S盒具有混淆性的特点，使得后处理的输入仍然包含该随机源的信息。

实施例2

图4示出本发明实施例提供的随机数产生器的原理示意图，如图4所示，该随机数产生器包括：多个物理随机源11……1n、S盒2、异或模块3、后处理模块4，所述多个物理随机源11……1n、所述S盒2、所述异或模块3、所述后处理模块4分别依次相连。

所述多个物理随机源11……1n将经过数字化之后的数据发送到S盒2；

所述S盒2对所述数据进行非线性置换处理并将置换处理结果输出到异或模块3；

所述异或模块3对所述置换处理结果进行异或处理，并将异或处理结果输出到后处理模块4；

所述后处理模块4消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系，输出随机数。

在本发明实施例中，所述S盒根据实际需求自行设计或从分组密码算法中选择。当所述物理随机源的个数为n时，n为大于1的正整数，则S盒为n比特输入、n比特输出的S盒。

在本发明实施例中，所述后处理模块采用线性反馈移位寄存器、分组密码算法或杂凑函数消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系。

本发明实施例的随机数产生器，有效地解决对物理随机源异或攻击的问题，即使攻击者对异或处的某个物理随机源输入进行了攻击，但由于S盒具有混淆性的特点，使得后处理的输入仍然包含该随机源的信息。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

Claims (8)

1.一种随机数产生方法，其特征在于，包括：

多个物理随机源对产生的物理信号进行数字化处理，并将处理得到的数字信号发送到S盒；

所述S盒对所述数字信号进行非线性置换处理，并将置换处理结果输出到异或模块；

所述异或模块对所述置换处理结果进行异或处理，并将异或处理结果输出到后处理模块；

所述后处理模块消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系，输出随机数。

2.根据权利要求1所述的随机数产生方法，其特征在于，所述S盒是自行设计的或从分组密码算法中选择的。

3.根据权利要求2所述的随机数产生方法，其特征在于，当所述物理随机源的个数为n时，n为大于1的正整数，则S盒为n比特输入、n比特输出的S盒。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的随机数产生方法，其特征在于，所述后处理模块采用线性反馈移位寄存器、分组密码算法或杂凑函数消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系。

5.一种随机数产生器，其特征在于，包括：多个物理随机源、S盒、异或模块、后处理模块，所述多个物理随机源、所述S盒、所述异或模块、所述后处理模块分别依次相连；

所述多个物理随机源对产生的物理信号进行数字化处理，并将处理得到的数字信号发送到S盒；

所述S盒对所述数字信号进行非线性置换处理，并将置换处理结果输出到异或模块；

所述异或模块对所述置换处理结果进行异或处理，并将异或处理结果输出到后处理模块；

所述后处理模块消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系，输出随机数。

6.根据权利要求5所述的随机数产生器，其特征在于，所述S盒是自行设计的或从分组密码算法中选择的。

7.根据权利要求6所述的随机数产生器，其特征在于，当所述物理随机源的个数为n时，n为大于1的正整数，则S盒为n比特输入、n比特输出的S盒。

8.根据权利要求5-7任意一项所述的随机数产生器，其特征在于，所述后处理模块采用线性反馈移位寄存器、分组密码算法或杂凑函数消除所述异或处理结果中的偏差和依赖关系。