DE102013201687A1 - Method and apparatus for generating random bits - Google Patents

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Markus Dichtl
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Zufallsbits vorgeschlagen, welches umfasst: Erzeugen (S1) eines Rauschsignals (RS); Abtasten (S2) des Rauschsignals (RS) in Abhängigkeit von einem Taktsignal (CK) mit Hilfe eines ersten Zwischenspeicherelements (3) zum Erzeugen eines ersten Bitwertes (B1); Abtasten (S2) des Rauschsignals (RS) in Abhängigkeit von dem Taktsignal (CK) mit Hilfe mindestens eines weiteren Zwischenspeicherelements (4) zum Erzeugen mindestens eines weiteren Bitwertes (B2); und Bestimmen mindestens eines Zufallsbits (ZS) in Abhängigkeit von den erzeugten Bitwerten (B1, B2). Eine Vorrichtung (1, 100, 101) zum Erzeugen eines Zufallsbits umfasst: eine Rauschsignalquelle (2) zum Erzeugen eines Rauschsignals (RS), ein erstes Zwischenspeicherelement (3) und mindestens ein weiteres Zwischenspeicherelement (4) zum gleichzeitigen Abtasten des Rauschsignals (RS) in Abhängigkeit von einem Taktsignal (CK).A method for generating a random bit is proposed, which comprises: generating (S1) a noise signal (RS); Sampling (S2) the noise signal (RS) as a function of a clock signal (CK) with the aid of a first buffer element (3) to generate a first bit value (B1); Sampling (S2) the noise signal (RS) as a function of the clock signal (CK) with the aid of at least one further intermediate storage element (4) for generating at least one further bit value (B2); and determining at least one random bit (ZS) as a function of the generated bit values (B1, B2). A device (1, 100, 101) for generating a random bit comprises: a noise signal source (2) for generating a noise signal (RS), a first buffer element (3) and at least one further buffer element (4) for simultaneous sampling of the noise signal (RS) depending on a clock signal (CK).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Zufallsbits sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer Zufallsbits. Es wird zum Beispiel eine Zufallsbitfolge erzeugt, welche als binäre Zufallszahl verwendet wird. Die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Zufallsbits dienen beispielsweise der Implementierung von Zufallszahlengeneratoren.The present invention relates to a method for generating a random bit and to a device for generating one or more random bits. For example, a random bit sequence is generated which is used as a binary random number. The proposed devices and methods for generating random bits serve, for example, the implementation of random number generators.

Zufallsdaten werden beispielsweise bei Sicherheitsanwendungen benötigt. So können aus Zufallsbits kryptographische Schlüssel oder dergleichen abgeleitet werden. Im Idealfall haben erzeugte Zufallsbits eine gleiche Auftrittswahrscheinlichkeit und sind voneinander statistisch unabhängig. Dazu wird eine Zufallsquelle zur Erzeugung der Zufallsbits mit einer hohen Entropie gewünscht.Random data is needed for security applications, for example. Thus, random bits can be used to derive cryptographic keys or the like. Ideally, random bits generated have the same probability of occurrence and are statistically independent of each other. For this purpose, a random source for generating the random bits with a high entropy is desired.

Aus den erzeugten Zufallsbits können weitere komplexere Zufallszahlen, wie Zufallsbitfolgen oder Zufallsbytes, abgeleitet werden.From the generated random bits further more complex random numbers, such as random bit sequences or random bytes, can be derived.

In der Vergangenheit wurden unter Anderem physikalische Prozesse, wie radioaktive Zerfälle, als zufällige Ereignisse liefernde Objekte verwendet. Dabei besteht die Schwierigkeit darin, Messungen an dem physikalischen System aufwandsgünstig durchzuführen, um die Zufallsdaten ableiten zu können. Wünschenswert sind insbesondere Implementierungen, die keine Mischsignale aus analogen und digitalen Elementen erfordern.In the past, among other things, physical processes such as radioactive decays have been used as random events. The difficulty here is to carry out measurements on the physical system at low cost in order to be able to derive the random data. In particular, implementations that do not require mixed signals from analog and digital elements are desirable.

Pseudozufallszahlengeneratoren sind bekannt und erzeugen aufgrund eines Algorithmus aus so genannten Seed-Daten Zufallsbits. Da nach der Seed-Festlegung die abgeleitete Pseudozufallsbitfolge im Wesentlichen deterministisch ist, eignen sich derartige Zufallszahlengeneratoren eher nicht für kryptographische Anwendungen.Pseudo-random number generators are known and generate random bits due to an algorithm of so-called seed data. Since the derived pseudo-random bit string is essentially deterministic after seed determination, such random number generators are not suitable for cryptographic applications.

In der Vergangenheit wurden Hardware-Zufallszahlengeneratoren unter der Ausnutzung von Schwankungen von Periodenlängen bzw. Jittern in Ringoszillatorschaltungen ausgenutzt. Häufig genügte die erzielte Entropie und/oder Zufallsdatenrate jedoch nicht den gewünschten Anforderungen.In the past, hardware random number generators have been exploited to exploit variations in period lengths or jitter in ring oscillator circuits. Frequently, however, the achieved entropy and / or random data rate did not meet the desired requirements.

Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und/oder ein verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen von Zufallsbits bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide an improved method and / or apparatus for generating random bits.

Demgemäß wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Zufallsbits vorgeschlagen, welches die Schritte umfasst:
Erzeugen eines Rauschsignals;
Abtasten des Rauschsignals in Abhängigkeit von einem Taktsignal mit Hilfe eines ersten Zwischenspeicherelements zum Erzeugen eines ersten Bitwertes;
Abtasten des Rauschsignals in Abhängigkeit von dem Taktsignal mit Hilfe mindestens eines weiteren Zwischenspeicherelements zum Erzeugen mindestens eines weiteren Bitwertes; und
Bestimmen mindestens eines Zufallsbits in Abhängigkeit von den erzeugten Bitwerten.
Accordingly, a method for generating a random bit is proposed which comprises the steps:
Generating a noise signal;
Sampling the noise signal in response to a clock signal using a first latching element to generate a first bit value;
Sampling the noise signal as a function of the clock signal by means of at least one further buffer element for producing at least one further bit value; and
Determining at least one random bit in dependence on the generated bit values.

Ferner wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Zufallsbits vorgeschlagen, die aufweist:
eine Rauschsignalquelle zum Erzeugen eines Rauschsignals;
ein erstes Zwischenspeicherelement und mindestens ein weiteres Zwischenspeicherelement zum gleichzeitigen Abtasten des Rauschsignals in Abhängigkeit von einem Taktsignal.
Furthermore, an apparatus for generating a random bit is proposed, which comprises:
a noise signal source for generating a noise signal;
a first latching element and at least one further latching element for simultaneously sampling the noise signal in response to a clock signal.

Die Vorrichtung ist dabei insbesondere eingerichtet, ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen eines Zufallsbits durchzuführen.The device is in particular configured to perform a corresponding method for generating a random bit.

In Ausführungsformen hat die Vorrichtung mindestens drei Zwischenspeicherelemente. Dadurch wird eine gute Entropie der ein Bitmuster erzeugenden Bitwerte erreicht.In embodiments, the device has at least three buffer elements. This achieves good entropy of the bit-pattern-generating bit values.

Das Rauschsignal stammt beispielsweise von einer Rauschsignalquelle, die ein Signal erzeugt. Beispielsweise können unregelmäßige Schwingungen erzeugt werden. Die Rauschsignalquelle kann ein auch echtes Zufallssignal liefern, welches zwischen vorgegebenen Signalpegeln schwankt. Durch das gleichzeitige Abtasten des Rauschsignals in der Art eines Sample in Abhängigkeit von einem Taktsignal zu einem Taktzeitpunkt wird in den Zwischenspeicherelementen ein jeweiliger Pegel erfasst und zwischengespeichert. Der erfasste Pegel entspricht dann einem Bitwert, beispielsweise 0 oder 1 bzw. L oder H.The noise signal originates, for example, from a noise signal source which generates a signal. For example, irregular vibrations can be generated. The noise signal source can also provide a true random signal which varies between predetermined signal levels. By simultaneously sampling the noise signal in the manner of a sample as a function of a clock signal at a clock time, a respective level is detected in the buffer elements and buffered. The detected level then corresponds to a bit value, for example 0 or 1 or L or H.

Das insbesondere analoge Rauschsignal wird somit gleichzeitig mehrfach abgetastet, wobei beispielsweise durch physikalische Unterschiede der implementierten Zwischenspeicherelemente in einem Halbleiterprozess Abweichungen entstehen. Auch eine Signallaufzeit kann zu unterschiedlichen Abtastergebnissen und damit unterschiedlichen Bitwerten führen. Das Zwischenspeicherelement ist beispielsweise ein Flip-Flop. Insbesondere bei einem D-Flip-Flop erfordert das Abtasten des Eingangssignals, in dem vorliegenden Fall des Rauschsignals, bei einer Taktflanke. Da das Rauschsignal einen unregelmäßigen zeitlichen Signalverlauf hat, ergeben sich aus der unterschiedlichen physikalischen Implementierung der Zwischenspeicherelemente Ungenauigkeiten bzw. Zufälligkeiten. Beispielsweise kann es zu Verletzungen von Setup- und Hold-Zeiten der Flip-Flops kommen, so dass unterschiedliche Messergebnisse an unterschiedlichen Zwischenspeicherelementen erfasst werden. In den Zwischenspeicherelementen potenziell auftretende metastabile Zustände können dabei ebenfalls als Quelle von Zufall verwendete werden.The particular analog noise signal is thus scanned simultaneously multiple times, whereby, for example, caused by physical differences of the implemented intermediate storage elements in a semiconductor process deviations. Also, a signal propagation time can lead to different sampling results and thus different bit values. The buffer element is for example a flip-flop. Particularly in the case of a D flip-flop, the sampling of the input signal, in the present case the noise signal, requires a clock edge. Since the noise signal has an irregular temporal signal curve, inaccuracies or randomness result from the different physical implementation of the buffer elements. For example, there may be violations of setup and hold times of the flip-flops, so that different Measurement results are recorded at different cache elements. Potential metastatic states in the staging elements can also be used as a source of chance.

Es wird verstanden, dass eine Taktsignalquelle ein entsprechendes regelmäßig zwischen zwei Pegeln schwankendes Taktsignal erzeugt, wobei das Taktsignal steigende und fallende Taktflanken umfasst. Das erzeugte Taktsignal wird Takteingängen der Zwischenspeicherelemente zugeführt, welche aufgrund von Signalcharakteristiken, beispielsweise Signalflanken, intern eine Abtastung des Signalpegels an einem Dateneingang vollziehen und als logischen Pegel interpretieren. Der logische Pegel wird dann als Bitwert verstanden und ausgegeben.It will be understood that a clock signal source generates a corresponding clock signal fluctuating regularly between two levels, the clock signal comprising rising and falling clock edges. The generated clock signal is supplied to clock inputs of the latch elements, which due to signal characteristics, for example signal edges, internally perform a sampling of the signal level at a data input and interpret it as a logic level. The logic level is then understood as a bit value and output.

Die Strecke von der Taktsignalquelle zu den verschiedenen Zwischenspeicherelementen kann verschieden sein, und das Taktsignal kann daher unterschiedlich durch den Signalpfad beeinflusst werden, sodass die Signalformen sich gering unterscheiden können.The distance from the clock signal source to the various latch elements may be different, and therefore the clock signal may be differently affected by the signal path, so that the signal shapes may differ slightly.

Unter dem Taktsignal an einem jeweiligen Zwischenspeicherelement wird verstanden, dass ausgehend von dem Taktsignalerzeuger das Taktsignal verzweigt als „Zweigtaktsignale” den Zwischenspeicherelementen zugeführt wird. Das jeweilige Zweigtaktsignal entspricht daher im Wesentlichen modulo der Einflüsse durch den Signalweg oder anderer Faktoren dem erzeugten Taktsignal.The clock signal at a respective buffer element is understood to mean that, starting from the clock signal generator, the clock signal is branched as "branch clock signals" to the buffer elements. The respective branch clock signal therefore corresponds essentially to the influences of the signal path or other factors on the generated clock signal.

Bei den Zwischenspeicherelementen kann man auch von Sample-and-Hold oder Abtast- und Haltegliedern sprechen. Im Wesentlichen kommen jedoch Flip-Flops zum Einsatz.In the buffer elements can also speak of sample-and-hold or sample and hold members. Essentially, however, flip-flops are used.

In Ausführungsformen des Verfahrens und/oder der Vorrichtung zum Erzeugen eines Zufallsbits wird das Rauschsignal direkt an einen jeweiligen Dateneingang der Zwischenspeicherelemente zugeführt bzw. die Dateneingänge der Zwischenspeicherelemente sind an einen gemeinsamen Leitungsknoten gekoppelt, an dem das Rauschsignal abgreifbar ist.In embodiments of the method and / or the device for generating a random bit, the noise signal is fed directly to a respective data input of the buffer elements or the data inputs of the buffer elements are coupled to a common line node, at which the noise signal can be tapped.

In Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung wird das Rauschsignal mit Hilfe einer physikalischen Rauschquelle erzeugt. Es ist auch denkbar, dass das Rauschsignal mit Hilfe eines digitalen Ringoszillators erzeugt wird. Umfasst die Rauschsignalquelle einen digitalen Ringoszillatorschaltkreis, ist eine ungerade Anzahl von Invertereinrichtungen rückgekoppelt, so dass sich ein im Wesentlichen oszillierendes Signal ergibt. Bei besonders kurzen Inverterketten, beispielsweise drei oder fünf Inverter, ergibt sich eine quasi-analoge Signalform durch den kurzen Rückkopplungspfad. Ein derartiges Oszillationssignal kann als Rauschsignal aufgefasst werden.In embodiments of the method and apparatus, the noise signal is generated by means of a physical noise source. It is also conceivable that the noise signal is generated by means of a digital ring oscillator. If the noise signal source comprises a digital ring oscillator circuit, an odd number of inverter devices are fed back, resulting in a substantially oscillating signal. In particularly short inverter chains, for example, three or five inverters, results in a quasi-analogue waveform through the short feedback path. Such an oscillation signal can be regarded as a noise signal.

In Ausführungsformen umfasst ein entsprechender digitaler Ringoszillator zwischen drei und zehn Inverter, die direkt oder indirekt miteinander rückgekoppelt sind. In weiteren Ausführungsformen sind elf bis zwanzig Inverter rückgekoppelt.In embodiments, a corresponding digital ring oscillator comprises between three and ten inverters that are directly or indirectly fed back together. In further embodiments, eleven to twenty inverters are fed back.

In weiteren Ausführungsformen umfassen die digitalen Ringoszillatorschaltkreise Glois- oder Fibonacci- und/oder einfache Ringoszillatoren.In further embodiments, the digital ring oscillator circuits include Glois or Fibonacci and / or simple ring oscillators.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zum Erzeugen von Zufallsbits ausschließlich digitale Bauelemente. Dies hat den Vorteil, dass keine gemischten Signalschaltkreise notwendig sind, die analoge und digitale Signale verarbeiten müssen. Insofern ist auch eine Herstellung mit Hilfe rein digitaler Schaltungskomponenten aufwandsgünstig möglich. Ein Zufallszahlengenerator bzw. eine Vorrichtung zum Erzeugen von Zufallszahlen kann dann mit Hilfe von Standard-Halbleiterprozessen hergestellt werden oder auch als FPGA oder in FPGA-Einrichtungen umgesetzt werden.The device for generating random bits preferably comprises exclusively digital components. This has the advantage that no mixed signal circuits are necessary, which must process analog and digital signals. In this respect, production with the aid of purely digital circuit components is also cost-effective. A random number generator or device for generating random numbers can then be produced using standard semiconductor processes or else implemented as FPGAs or in FPGA devices.

Bei Varianten des Verfahrens kann das Erzeugen der Bitwerte mehrfach nacheinander erfolgen, und das Bestimmen mindestens eines Zufallsbits wird dann in Abhängigkeit von mehreren zuvor erzeugten Bitwerten durchgeführt. Insofern wird aus den Sätzen von Bitwerten oder Bitmustern, die sukzessive erzeugt werden die „enthaltene” Zufälligkeit ausgenutzt um im Wesentlichen zufällige Daten abzuleiten.In variants of the method, the generation of the bit values can take place a plurality of times in succession, and the determination of at least one random bit is then carried out as a function of a plurality of previously generated bit values. As such, the sets of bit values or bit patterns that are generated successively exploit the "contained" randomness to derive essentially random data.

In Ausführungsformen des Verfahrens bzw. einer entsprechend implementierten Vorrichtung, die beispielsweise einen programmierbaren Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder dergleichen als Steuereinrichtung umfasst, erfolgt ein Abbilden der Bitwerte auf Bytes mit Hilfe einer Hashfunktion. Es werden beispielsweise die bei einem Abtastvorgang erzeugen Bitwerte einer vorgegebenen Bitbreite (Anzahl der Bitwerte) auf ein Wort geringerer Bitbreite, beispielsweise eines Bytes abgebildet.In embodiments of the method or a correspondingly implemented device comprising, for example, a programmable microprocessor, a microcontroller or the like as a control device, the bit values are mapped to bytes with the aid of a hash function. For example, the bit values of a given bit width (number of bit values) generated during a scanning process are mapped onto a word of lesser bit width, for example one byte.

Es kann ferner eine Nachbearbeitung der Bitwerte oder Bytes erfolgen. Dabei wird z. B. ein abgewandeltes Neumann-Verfahren zum Erzeugen von vorgegebenen Zufallsmustern von Bitwerten eingesetzt. Ein denkbares Verfahren ist beschrieben in: Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth A. M. Shriver, Bruce Hillyer: „How to turn loaded dice into fair coins” in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 46, No. 3, Pg. 911–921, Year: 2000 .It is also possible to post-process the bit values or bytes. This z. B. a modified Neumann method for generating predetermined random patterns of bit values used. A conceivable method is described in: Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth AM Shriver, Bruce Hillyer: "How to turn loaded dice into fair coins" in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 3, Pg. 911-921, Year: 2000 ,

Ausführungsformen des Verfahrens sehen vor, dass die bei einem Abtasten erzeugten Bitwerte einem vorgegebenen Zufallswert zugeordnet werden. Es wird beispielsweise bei jedem Abtasten ein Zufallsmuster erzeugt, wobei abhängig von der Bitbreite bzw. der Anzahl der bei einem Abtasten erzeugten Zufallsbits eine begrenzte Anzahl von verschiedenen Mustern erzeugt werden kann. Dies hängt von der konkreten elektronischen bzw. physikalischen Ausgestaltung der Vorrichtung ab.Embodiments of the method provide that the bit values generated during a sampling are assigned to a predetermined random value become. For example, a random pattern is generated each time a scan is performed, and a limited number of different patterns can be generated depending on the bit width or the number of random bits generated during a scan. This depends on the specific electronic or physical design of the device.

Um Korrelationen zwischen Bitwerten bzw. Bits zu reduzieren oder zu kompensieren, sind geeignete Verfahren bekannt.In order to reduce or compensate correlations between bit values or bits, suitable methods are known.

Insgesamt ermöglicht das Verfahren einen schaltungstechnisch einfach zu realisierenden Zufallszahlengenerator. Es ist nur geringe Anzahl von elektronischen Komponenten notwendig, die standardmäßig hergestellt werden können. Aufgrund der Erzeugung von mehreren Bitwerten bei einem Abtastvorgang kann die Datenrate gegenüber bekannten Zufallsbiterzeugern erhöht werden.Overall, the method enables a circuit-wise easy-to-implement random number generator. Only a small number of electronic components are necessary, which can be manufactured as standard. Due to the generation of multiple bit values in one scan, the data rate can be increased over known randombit generators.

In Ausführungsformen werden vorzugsweise zwischen 48 und 72 Bitwerte erzeugt, insbesondere 64 Bitwerte. Daraus werden mindestens zwei verschiedene Zufallsbits erzeugt bzw. abgeleitet.In embodiments, between 48 and 72 bit values are preferably generated, in particular 64 bit values. From this, at least two different random bits are generated or derived.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Verfahrensschritte, Merkmale oder Ausführungsformen des Verfahrens oder des Zufallsbitgenerators. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern.Further possible implementations of the invention also include not explicitly mentioned combinations of method steps, features or embodiments of the method or the random bit generator described above or below with regard to the exemplary embodiments. The skilled person will also add or modify individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in detail in conjunction with the drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zum Erzeugen von Zufallsbits; 1 a schematic representation of a first embodiment of an apparatus for generating random bits;

2 ein schematisches Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Erzeugen von Zufallsbits; 2 a schematic flow diagram for a method for generating random bits;

3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zum Erzeugen von Zufallsbits; und 3 a schematic representation of a second embodiment of an apparatus for generating random bits; and

4 ein Diagramm zur Erläuterung von Korrelationen zwischen Zufallsbitwerten. 4 a diagram for explaining correlations between random bit values.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen, sofern nichts anderes angegeben ist.In the figures, identical or functionally identical elements are provided with the same reference numerals, unless stated otherwise.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Zufallsbits. Zum Erläutern des Betriebs und der Erzeugung von Zufallsbits ist in der 2 schematisch ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Erzeugen von Zufallsbits angedeutet.The 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a device 1 for generating random bits. For explaining the operation and generation of random bits, see 2 schematically a flowchart for a method for generating random bits indicated.

Die erste Ausführungsform eines Zufallsbitgenerators 1 umfasst einen Rauschsignalgenerator 2, der an einem Ausgang 5 ein Rauschsignal RS liefert. Beim Rauschsignal RS handelt es sich beispielsweise um ein analoges oder quasi-analoges Signal, das von der Rauschquelle 2 erzeugt wird. Das Rauschsignal RS ist vorzugsweise durch miteinander gekoppelte Digitalschaltelemente im Rauschsignalgenerator 2 erzeugt.The first embodiment of a random bit generator 1 includes a noise signal generator 2 who is at an exit 5 a noise signal RS delivers. The noise signal RS is, for example, an analog or quasi-analogue signal coming from the noise source 2 is produced. The noise signal RS is preferably coupled to each other by digital switching elements in the noise signal generator 2 generated.

Die Vorrichtung 1 umfasst zwei Zwischenspeicherelemente, die als D-Flip-Flops 3, 4 ausgestaltet sind. Jedes Flip-Flop 3, 4 hat einen Dateneingang D, einen Takteingang C und einen Datenausgang Q. Das Rauschsignal RS ist direkt an die Dateneingänge D der Flipflops 3, 4 zugeführt. An die Takteingänge C der Flipflops 3, 4 ist ein gemeinsames Taktsignal CK eingekoppelt. An den Ausgängen Q der Flipflops 3, 4 sind Bitwerte in Abhängigkeit von dem zwischengespeicherten bzw. gesampelten Pegel des Rauschsignals RS abgreifbar. Dazu sind die Ausgänge Q an einen jeweiligen Ausgang 6, 7 der Zufallsbitgeneratorvorrichtung geführt. An den Ausgängen 6, 7 sind Bitwerte B1 bzw. B2 abgreifbar.The device 1 comprises two latching elements, called D flip-flops 3 . 4 are designed. Every flip-flop 3 . 4 has a data input D, a clock input C and a data output Q. The noise signal RS is directly connected to the data inputs D of the flip-flops 3 . 4 fed. To the clock inputs C of the flip-flops 3 . 4 a common clock signal CK is coupled. At the outputs Q of the flip-flops 3 . 4 are bit values in response to the latched or sampled level of the noise signal RS tapped. For this purpose, the outputs Q are connected to a respective output 6 . 7 the random bit generator device. At the exits 6 . 7 Bit values B1 or B2 can be tapped.

Die Flipflops 3, 4 liefern im Wesentlichen wohldefinierte logische Pegel 0, 1 bzw. L, H als Bitwerte B1, B2. Das Rauschsignal RS schwankt hingegen zwischen vorgegebenen Pegeln unregelmäßig, so dass nicht vorhersehbar ist, welcher logische Pegel von den Flip-Flops 3, 4 zum jeweiligen Taktflankenzeitpunkt erfasst bzw. abgetastet ist.The flip flops 3 . 4 provide substantially well-defined logic levels 0, 1 and L, H as bit values B1, B2, respectively. The noise signal RS, however, fluctuates irregularly between predetermined levels, so that it is unpredictable, which logic level of the flip-flops 3 . 4 is detected or sampled at the respective clock edge time.

Zum Erzeugen von wenig korrelierten Zufallsbitwerten an den Ausgängen 6, 7 erfolgt in einem ersten Schritt S1 die Bereitstellung des Rauschsignals RS. Anschließend erfolgt in Abhängigkeit von dem Taktsignal CK, beispielsweise bei einer steigenden oder fallenden Taktsignalflanke, ein Sampeln oder Abtasten des an die Dateneingänge D geführten Rauschsignals RS im Schritt S2. Aufgrund von beispielsweise Verletzungen von Setup- und Hold-Zeiten für die Flip-Flops 3, 4 oder sonstigen dem bestimmungsgemäßen Betrieb von Flip-Flops entgegenwirkenden Betriebsparameter, entsteht Zufälligkeit oder Entropie, welche zur Erzeugung von Zufallsbits aus den Bitwerten B1, B2 genutzt werden kann. Im Schritt S3 erfolgt daher in Abhängigkeit von den erzeugten Bitwerten B1, B2 die Bestimmung eines Zufallsbits. Es ist möglich, dass die unterschiedlich abgetasteten bzw. erzeugten Bitwerte B1, B2 von Betriebsbedingungen wie Temperaturspannung oder externen Feldern abhängt. Auch Fertigungsschwankungen bei der physikalischen Implementierung der Flipflops 3, 4 oder die Geometrie der Schaltung und Signallaufzeit können zu unterschiedlichen Abtastergebnissen trotz desselben Taktsignals CK führen.For generating little correlated random bit values at the outputs 6 . 7 in a first step S1, the provision of the noise signal RS. Subsequently, in response to the clock signal CK, for example in the case of a rising or falling clock signal edge, sampling or sampling of the noise signal RS conducted to the data inputs D takes place in step S2. For example, due to violations of setup and hold times for the flip-flops 3 . 4 or other operating parameters counteracting the normal operation of flip-flops, randomness or entropy arises, which can be used to generate random bits from the bit values B1, B2. In step S3, therefore, depending on the generated Bit values B1, B2, the determination of a random bit. It is possible for the differently sampled or generated bit values B1, B2 to depend on operating conditions such as temperature voltage or external fields. Also manufacturing variations in the physical implementation of the flip-flops 3 . 4 or the geometry of the circuit and signal propagation time may result in different sampling results despite the same clock signal CK.

Durch mehrfaches Sampeln hintereinander und einer statistischen Auswertung können Korrelationen der an den Ausgängen 6, 7 abgreifbaren Bitwerten behandelt oder kompensiert werden, sodass echte Zufallsbits oder Zufallswerte abgeleitet werden können. Im Wesentlichen ergeben sich in der einfachen Darstellung der 1 vier mögliche Bitmuster B1 B2 = 01, 10, 11, 00. Es wird beispielsweise bei jeder steigenden Taktflanke ein entsprechendes ”Zufallsbitmuster” erzeugt.By multiple sampling in succession and a statistical evaluation can correlations of the outputs 6 . 7 can be handled or compensated for in order to obtain true random bits or random values. Essentially, in the simple presentation of the 1 four possible bit patterns B1 B2 = 01, 10, 11, 00. For example, a corresponding "random bit pattern" is generated with every rising clock edge.

In der 3 ist eine weitere Ausführungsform für einen Zufallsbitgenerator dargestellt. Der Zufallsbitgenerator 10 umfasst eine (analoge) Rauschquelle 20, die an einem Ausgang 5 ein zufälliges Rauschsignal RS liefert. Die Vorrichtung 10 umfasst beispielsweise N = 64 D-Flip-Flops 3-1 bis 3-N, die jeweils Dateneingänge D, Takteingänge C und Datenausgänge Q haben. Die Dateneingänge D sind gemeinsam an den Ausgang 5 gekoppelt und empfangen das Rauschsignal RS. Die Vorrichtung ist mit einem Taktsignalgenerator 9 ausgestattet, der ein Taktsignal CK liefert, welches in die Takteingänge C der Flip-Flops 3-1 bis 3-N geführt ist. Eine Steuereinrichtung 8, beispielsweise ein Mikrocontroller oder Prozessor, der geeignet programmiert oder eingerichtet ist, steuert über Steuersignale CT1 und CT2 die Rauschquelle 20 und den Taktgenerator 9.In the 3 Another embodiment of a random bit generator is shown. The random bit generator 10 includes an (analog) noise source 20 at an exit 5 a random noise signal RS supplies. The device 10 For example, N = 64 D flip-flops 3-1 to 3-N each having data inputs D, clock inputs C and data outputs Q. The data inputs D are common to the output 5 coupled and receive the noise signal RS. The device is equipped with a clock signal generator 9 equipped, which supplies a clock signal CK, which in the clock inputs C of the flip-flops 3-1 to 3-N is guided. A control device 8th For example, a microcontroller or processor that is suitably programmed or configured controls the noise source via control signals CT1 and CT2 20 and the clock generator 9 ,

In der Ausführungsform der 3 ist die Rauschsignalquelle 20 als Ringoszillator mit drei rückgekoppelten Invertern 12, 13, 14 ausgestaltet. Der Rückkopplungspfad ist über einen steuerbaren Schalter 15 unterbrechbar. Der steuerbare Schalter ist beispielsweise durch Steuersignale CT1 von der Steuereinrichtung 8 steuerbar. Ein wohldefinierter Signalpegel, beispielsweise H oder L, kann an einem Knoten 16 abgegriffen werden. Der Schalter 15 schaltet zwischen dem wohldefinierten Pegel bei einem geöffneten Rückkopplungspfad und einem geschlossenen Rückkopplungspfad. Regelmäßig wird beispielsweise der Pfad geschlossen, so dass eine zufällige Oszillation des Ringoszillators einsetzt. Aufgrund des besonders kurzen Rückkopplungspfads mit nur drei Invertern ergibt sich ein analoges Rauschsignal RS am Ausgang 5.In the embodiment of the 3 is the source of noise 20 as a ring oscillator with three feedback inverters 12 . 13 . 14 designed. The feedback path is via a controllable switch 15 interruptible. The controllable switch is, for example, by control signals CT1 from the control device 8th taxable. A well-defined signal level, such as H or L, may be at a node 16 be tapped. The desk 15 switches between the well-defined level at an open feedback path and a closed feedback path. Regularly, for example, the path is closed, so that a random oscillation of the ring oscillator begins. Due to the particularly short feedback path with only three inverters results in an analog noise signal RS at the output 5 ,

Beim Betrieb des Zufallsbitgenerators 10 wird in Abhängigkeit von dem Taktsignal CK das Rauschsignal RS parallel und gleichzeitig von den Flip-Flops 3-1 bis 3-N abgetastet, wodurch ein jeweiliges Bit bzw. ein Bitwert B1–BN erzeugt wird, der am jeweiligen Ausgang Q abgreifbar ist. Das Bitmuster aus den Bitwerten B1–BN wird über eine geeignete Datenleitung an den Eingang 17 der Steuereinrichtung 8 geführt. Die Steuereinrichtung 8 kann die erfassten Bitmuster B1–BN auswerten oder nachbehandeln. Beispielsweise können durch geeignete Rechenverfahren Schiefen oder Korrelationen der Bitwerte ausgeglichen werden.When operating the random bit generator 10 becomes in response to the clock signal CK, the noise signal RS in parallel and simultaneously from the flip-flops 3-1 to 3-N sampled, whereby a respective bit or a bit value B1-BN is generated, which can be tapped at the respective output Q. The bit pattern from the bit values B1-BN is sent to the input via a suitable data line 17 the control device 8th guided. The control device 8th can evaluate or post-process the detected bit patterns B1-BN. For example, skews or correlations of the bit values can be compensated by suitable calculation methods.

Am Ausgang 8 in der Steuereinrichtung 8 liegt dann ein Zufallsbit oder Zahlensignal ZS an, welches am Ausgang 11 des Zufallsbitgenerators 10 ausgegeben wird. Der Zufallsbit- oder Zahlengenerator 10 kann beispielsweise als FPGA implementiert sein.At the exit 8th in the control device 8th Then there is a random bit or number signal ZS, which at the output 11 the random bit generator 10 is issued. The random bit or number generator 10 can be implemented as FPGA, for example.

Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass beispielsweise bei Implementierung der in 3 schematisch dargestellten Vorrichtung als FPGA mit N = 64 Flip-Flops eine verhältnismäßig geringe Korrelation der 64 Bits B1–B64 auftritt. Es ergibt sich beispielsweise, dass bei wiederholtem Starten des Ringoszillators 20 und nach einer vorgegebenen Zeit durch das Abtasten der Bitwerte B1–BN etwa 150 verschiedene Bitmuster auftreten. Daraus ergibt sich pro Messung eine Entropie von 5,2 Bits. Insofern lassen sich Zufallsworte der Bitbreite 5 einigermaßen zuverlässig mit Hilfe der Vorrichtung 10 erzeugen.Investigations by the applicant have shown that, for example, when implementing the in 3 schematically illustrated device as FPGA with N = 64 flip-flops a relatively low correlation of the 64 bits B1-B64 occurs. It follows, for example, that with repeated starting of the ring oscillator 20 and after a predetermined time, by sampling the bit values B1-BN, about 150 different bit patterns occur. This results in an entropy of 5.2 bits per measurement. In this respect, random words of the bit width 5 can be reasonably reliable with the aid of the device 10 produce.

Die 4 zeigt ein Korrelationsdiagramm mit Grauwerten, wobei ein schwarzes Kästchen eine Korrelation von 1 und ein weißes Kästchen eine Korrelation von –0,81 darstellt. An den Kanten sind jeweils die 64 möglichen Bitwerte B1–B64 aufgetragen. Man erkennt, dass jedes Bit mit sich selbst zu 100% korreliert. Man erkennt ferner, dass Gruppen von Bits auftreten, die relativ stark miteinander korrelieren, während andere Bits weitestgehend unkorreliert vorliegen.The 4 shows a correlation diagram with gray values, where a black box represents a correlation of 1 and a white box a correlation of -0.81. At the edges, the 64 possible bit values B1-B64 are respectively plotted. It can be seen that each bit correlates with itself to 100%. It can also be seen that groups of bits occur which correlate relatively strongly with each other, while other bits are largely uncorrelated.

Die Korrelation der abgetasteten Rauschsignalanteile und der daraus erzeugten Bitwerte B1–BN kann beispielsweise von der Topologie der realisierten Digitalschaltung abhängen. Bei der Implementierung des Zufallsbitgenerators als FPGA kann die Zusammenfassung als konfigurierbare Logikblöcke von Multiplexern, Addierern, Flip-Flops und dergleichen zu Korrelation führen, da beispielsweise bei bestimmten Flip-Flop-Gruppen Signalwege besonders ähnlich verlaufen.The correlation of the sampled noise signal components and the bit values B1-BN generated therefrom may, for example, depend on the topology of the realized digital circuit. In the implementation of the random bit generator as FPGA, the summary as configurable logic blocks of multiplexers, adders, flip-flops, and the like may lead to correlation, as, for example, signal paths are particularly similar for certain flip-flop groups.

Die erfassten Bitmuster aus 64 Bits können beispielsweise mit Hilfe eines Hashings auf Bytes abgebildet werden und dann mit Hilfe bekannter Verfahren nachbearbeitet werden. Ein geeignetes Verfahren ist zum Beispiel in Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth A. M. Shriver, Bruce Hillyer: „How to turn loaded dice into fair coins” in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 46, No. 3, Pg. 911–921, Year: 2000 angegeben. Insofern ergibt sich potenziell ein Mehraufwand bei der Nachbearbeitung der erzeugten Bitmuster, die beispielsweise durch einen Mikroprozessor oder geeignete Software bewerkstelligt werden kann. Dennoch kann eine besonders hohe Bitrate mit Zufallsbits erzielt werden.The detected bit patterns of 64 bits can, for example, be mapped to bytes by means of hashing and then be post-processed using known methods. A suitable method is for example in Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth AM Shriver, Bruce Hillyer: "How to turn loaded dice into fair coins" in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 3, Pg. 911-921, Year: 2000 specified. In this respect, there is potentially an additional expense in the post-processing of the generated bit pattern, which can be accomplished for example by a microprocessor or suitable software. Nevertheless, a particularly high bit rate can be achieved with random bits.

Die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen basieren im Wesentlichen auf ausschließlich digitalen Schaltungskomponenten, so dass Standardprozesse zur Fertigung eingesetzt werden können. Es ist trotz der quasi-analogen Rauschsignalerzeugung mit Hilfe von kurzen Ringoszillatoren keine aufwändige Mixed-Signal-Implementierung notwendig. Insgesamt werden nur wenige elektronische Komponenten benötigt, so dass auch kostensensitive Anwendungen mit entsprechend Zufallsbit- oder Zahlengeneratoren ausgestattet werden können.The proposed methods and devices are based essentially exclusively on digital circuit components, so that standard processes can be used for production. Despite the quasi-analog noise signal generation with the help of short ring oscillators, no complex mixed-signal implementation is necessary. Overall, only a few electronic components are needed, so that cost-sensitive applications can be equipped with random bit or number generators.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth A. M. Shriver, Bruce Hillyer: „How to turn loaded dice into fair coins” in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 46, No. 3, Pg. 911–921, Year: 2000 [0025] Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth AM Shriver, Bruce Hillyer: "How to turn loaded dice into fair coins" in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 3, Pg. 911-921, Year: 2000 [0025]
  • Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth A. M. Shriver, Bruce Hillyer: „How to turn loaded dice into fair coins” in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 46, No. 3, Pg. 911–921, Year: 2000 [0051] Ari Juels, Markus Jakobsson, Elizabeth AM Shriver, Bruce Hillyer: "How to turn loaded dice into fair coins" in IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 3, Pg. 911-921, Year: 2000 [0051]

Claims (15)

Verfahren zum Erzeugen eines Zufallsbits umfassend: Erzeugen (S1) eines Rauschsignals (RS); Abtasten (S2) des Rauschsignals (RS) in Abhängigkeit von einem Taktsignal (CK) mit Hilfe eines ersten Zwischenspeicherelements (3) zum Erzeugen eines ersten Bitwertes (B1); Abtasten (S2) des Rauschsignals (RS) in Abhängigkeit von dem Taktsignal (CK) mit Hilfe mindestens eines weiteren Zwischenspeicherelements (4) zum Erzeugen mindestens eines weiteren Bitwertes (B2); und Bestimmen (S3) mindestens eines Zufallsbits (ZS) in Abhängigkeit von den erzeugten Bitwerten (B1, B2).A method of generating a random bit comprising: generating (S1) a noise signal (RS); Sampling (S2) the noise signal (RS) as a function of a clock signal (CK) by means of a first buffer element ( 3 ) for generating a first bit value (B1); Sampling (S2) the noise signal (RS) as a function of the clock signal (CK) with the aid of at least one further buffer element ( 4 ) for generating at least one further bit value (B2); and determining (S3) at least one random bit (ZS) in dependence on the generated bit values (B1, B2). Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abtasten des Rauschsignals (RS) zu vorgegebene Taktflanken gleichzeitig mit Hilfe des ersten und der weiteren Zwischenspeicherelemente (3, 4) erfolgt.The method of claim 1, wherein the sampling of the noise signal (RS) at predetermined clock edges simultaneously with the help of the first and the further latch elements ( 3 . 4 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rauschsignal (RS) mit Hilfe einer physikalischen Rauschquelle (2) erzeugt wird.Method according to claim 1 or 2, wherein the noise signal (RS) is generated by means of a physical noise source ( 2 ) is produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Rauschsignal (RS) mit Hilfe eines insbesondere digitalen Ringoszillators (20) erzeugt wird.Method according to one of claims 1-3, wherein the noise signal (RS) by means of a particular digital ring oscillator ( 20 ) is produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Rauschsignal (RS) direkt an einen jeweiligen Dateneingang (D) der Zwischenspeicherelemente (3, 4) zugeführt wird.Method according to one of claims 1-4, wherein the noise signal (RS) directly to a respective data input (D) of the buffer elements ( 3 . 4 ) is supplied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei mindestens fünf Bitwerte (B1...BN) erzeugt werden.Method according to one of claims 1-5, wherein at least five bit values (B1 ... BN) are generated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, ferner umfassend: Abbilden der Bitwerte (B1...BN) auf Bytes mit Hilfe einer Hash-Funktion.The method of any of claims 1-6, further comprising: mapping the bit values (B1 ... BN) to bytes using a hash function. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, ferner umfassend: Unterziehen der Bitwerte (B1...BN) oder der Bytes einem Verfahren zum Erzeugen von vorgegebenen Zufallsmustern von Bitwerten.The method of any one of claims 1-7, further comprising: subjecting the bit values (B1 ... BN) or bytes to a method of generating predetermined random patterns of bit values. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, ferner umfassend: Zuordnen der bei einem Abtasten erzeugten Bitwerte (B1...BN) zu einem vorgegebenen Zufallswert.The method of any of claims 1-8, further comprising: assigning the bit values (B1 ... BN) generated during a sample to a predetermined random value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das Erzeugen der Bitwerte (B1, B2) mehrfach nacheinander erfolgt, und das Bestimmen (S3) mindestens eines Zufallsbits (ZS) in Abhängigkeit von mehreren zuvor erzeugten Bitwerten (B1, B2) erfolgt.Method according to one of claims 1-9, wherein the generation of the bit values (B1, B2) takes place a plurality of times in succession, and the determination (S3) of at least one random bit (ZS) is effected as a function of a plurality of previously generated bit values (B1, B2). Vorrichtung (1, 10) zum Erzeugen eines Zufallsbits mit: einer Rauschsignalquelle (2) zum Erzeugen eines Rauschsignals (RS); einem ersten Zwischenspeicherelement (3) und mindestens einem weiteren Zwischenspeicherelement (4) zum gleichzeitigen Abtasten des Rauschsignals (RS) in Abhängigkeit von einem Taktsignal (CK).Contraption ( 1 . 10 ) for generating a random bit comprising: a noise signal source ( 2 ) for generating a noise signal (RS); a first buffer element ( 3 ) and at least one further buffer element ( 4 ) for simultaneously sampling the noise signal (RS) in response to a clock signal (CK). Vorrichtung (1, 10) nach Anspruch 11, welche eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10 durchzuführen.Contraption ( 1 . 10 ) according to claim 11, which is arranged to perform a method according to any one of claims 1-10. Vorrichtung (1, 10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Zwischenspeicherelemente (3, 4) Flip-Flop-Einrichtungen sind.Contraption ( 1 . 10 ) according to claim 11 or 12, wherein the buffer elements ( 3 . 4 ) Are flip-flop facilities. Vorrichtung (1, 10) nach einem der Ansprüche 11–13, wobei die Vorrichtung (1, 10) ausschließlich digitale Bauelemente umfasst.Contraption ( 1 . 10 ) according to any one of claims 11-13, wherein the device ( 1 . 10 ) exclusively comprises digital components. Vorrichtung (1, 10) nach einem der Ansprüche 11–14, wobei die Vorrichtung (1, 10) Teil einer FPGA-Einrichtung ist.Contraption ( 1 . 10 ) according to any one of claims 11-14, wherein the device ( 1 . 10 ) Is part of an FPGA device.
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Ari JUELS, Markus JAKOBSSON, Elizabeth SHRIVER, Bruce K. HILLYER: How to turn loaded dice into fair coins. IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 46, 2000, No. 3, S. 911-921. IEEE Xplore [online]. DOI: 10.1109/18.841170, In: IEEE
Ari JUELS, Markus JAKOBSSON, Elizabeth SHRIVER, Bruce K. HILLYER: How to turn loaded dice into fair coins. IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 46, 2000, No. 3, S. 911-921. IEEE Xplore [online]. DOI: 10.1109/18.841170, In: IEEE *

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