DE112008001707T5

DE112008001707T5 - Finite-Feld-Operationen verwendender kryptographischer Zufallszahlengenerator

Info

Publication number: DE112008001707T5
Application number: DE112008001707T
Authority: DE
Inventors: Sergey Santa Clara Gribok; Alexander San Jose Andreev; Sergey Gashkov
Original assignee: LSI Corp
Current assignee: Avago Technologies Ltd USA
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2010-09-16
Also published as: KR101332232B1; US20080320066A1; JP2010531018A; WO2009002404A1; GB2464037A; CN101772915B; US20120278372A1; CN101772915A; GB2464037B; US8250129B2; GB201001005D0; JP5165755B2; KR20100053507A

Abstract

Vorrichtung mit:
einer Initialzufallsquelle; und
einem Nachverarbeitungsblock in kommunikativer Verbindung mit der Initialzufallsquelle, wobei der Nachverarbeitungsblock so konfiguriert ist, daß er ein Eingangssignal auf der Grundlage der Initialzufallsquelle empfängt, eine oder mehrere finite Feld-Operationen auf das Eingangssignal anwendet, um eine randomisierte Ausgabe zu erzeugen, und ein Ausgangssignal über einen Ausgangskanal bereitstellt, wobei das Ausgangssignal mindestens teilweise auf der randomisierten Ausgabe beruht.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die Offenbarung betrifft elektrische Schaltungen, z. B. integrierte Halbleiterschaltungen. Insbesondere betrifft die Offenbarung elektrische Schaltungen, die als echte Zufallszahlengeneratoren dienen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Häufig sind in integrierten Halbleiterschaltungen Hunderttausende Halbleiterelemente auf einem einzigen Chip eingebaut. Diese Elemente sind miteinander verbunden, um eine gewünschte Funktion zu erfüllen.
Eine derartige Funktion, die von einem integrierten Schaltungschip erfüllt werden kann, ist die Zufallszahlenerzeugung. Ein Zufallszahlengenerator ist ein Bauelement, das so gestaltet ist, daß es eine Folge von Elementen erzeugt, so daß die Folge als zufällige verwendet werden kann. Normalerweise kann diese Zufälligkeit durch verschiedene Zufälligkeitstestreihen bewertet werden, die die kryptographische Stärke der durch den Zufallszahlengenerator erzeugten Zufallsfolge messen. Viele Komponenten, die als Zufallszahlengeneratoren verwendet werden, sind eigentlich pseudozufällig oder anderweitig kryptographisch schwach; sie können einen gewissen Anschein von Zufälligkeit beinhalten, zeigen aber bei der Analyse eigentlich mehr oder weniger große Vorhersagbarkeit auf. Andererseits erzeugt ein kryptographisch starker Zufallszahlengenerator eine Zufallszahlenfolge, die trotz signifikanter Analyse unvorhersagbar bleibt, so daß es rechnerisch unmöglich wird vorherzusagen, was ein künftiges Bit der Zufallsausgabe sein wird, selbst wenn die Spezifikation des Zufallszahlengenerators vollständig vorliegt.
Kryptographisch starke Zufallszahlengeneratoren kommen in kryptographischen integrierten Schaltungen für kryptographische Aufgaben zum Einsatz, z. B. Schlüsselerzeugung, Gestaltung von Stromchiffren usw.
Bedarf besteht an verbesserten Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung echter Zufallszahlen mit einer Einheit, die schnell, kompakt und kryptographisch stark ist.
Die vorstehende Diskussion dient lediglich zur allgemeinen Hintergrundinformation und soll nicht als Hilfsmittel bei der Bestimmung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands zum Einsatz kommen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der Offenbarung betrifft eine Vorrichtung. Gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Initialzufallsquelle und einen Nachverarbeitungsblock in kommunikativer Verbindung mit der Initialzufallsquelle auf. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist der Nachverarbeitungsblock so konfiguriert, daß er Signale von der Initialzufallsquelle empfängt, ein oder mehrere finite Feld-Operationen (vorzugsweise finite Feld-Operationen) auf die Signale anwendet, um eine Ausgabe zu erzeugen, und ein Ausgangssignal auf der Grundlage der Ausgabe über einen Ausgangskanal bereitstellt.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren. Gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform weist das Verfahren das Erzeugen eines Initialzufallssignals mit einem Ringoszillator auf. Das Initialzufallssignal wird als Steuersignal verwendet, um unter mehreren optionalen Eingangssignalen auszuwählen. Eine oder mehrere finite Feld-Operationen werden an den Eingangssignalen durchgeführt. Das Ergebnis der einen oder mehreren finite Feld-Operationen wird als Ausgangssignal in dieser veranschaulichenden Ausführungsform bereitgestellt.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein integriertes Schaltungsbauelement. Gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform weist das integrierte Schaltungsbauelement einen Ringoszillator, einen Multiplexer, eine finite Feld-Multiplikationskomponente, eine finite Feld-Quadrierkomponente und einen Akkumulator auf. Der Multiplexer weist zwei Datensignaleingänge, einen Steuersignaleingang und einen Ausgang auf. Der Steuersignaleingang ist mit einem Ausgang des Ringoszillators kommunikativ verbunden. Die finite Feld-Multiplikationskomponente weist einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf. Der erste Eingang der finite Feld-Multiplikationskomponente ist mit dem Ausgang des Multiplexers kommunikativ verbunden. Die finite Feld-Quadrierkomponente weist einen Eingang und einen Ausgang auf. Der Ausgang der finite Feld-Quadrierkomponente ist mit dem zweiten Eingang der finite Feld-Quadrierkomponente kommunikativ verbunden. Der Akkumulator weist einen Eingang und einen Ausgang auf. Der Eingang des Akkumulators ist mit dem Ausgang der finite Feld-Multiplikationskomponente kommunikativ verbunden, und der Ausgang des Akkumulators ist sowohl mit dem Eingang der finite Feld-Quadrierkomponente als auch mit einem Ausgangskanal in dieser veranschaulichenden Ausführungsform kommunikativ verbunden.
Diese Zusammenfassung dient zur Einführung einer Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form, die später in der näheren Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung soll keine Schlüsselmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren, noch soll sie als Hilfsmittel bei der Bestimmung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands dienen. Der beanspruchte Gegenstand ist nicht auf die Realisierungen beschränkt, die beliebige oder alle Nachteile überwinden, auf die im Hintergrund verwiesen wurde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Kernmodulaufbaus eines Zufallszahlengenerators gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform.
2 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zur Erzeugung einer Zufallszahl gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform.
3 ist ein Blockdiagramm einer Initialzufallsquelle für einen Zufallszahlengenerator gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform.
NÄHERE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung 100 darstellt, die zum Erzeugen von Zufallszahlen mit Hilfe von finite Feld-Operationen gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung konfiguriert ist. Die Vorrichtung 100 kann z. B. als integriertes Schaltungsbauelement ausgeführt sein, das die unterschiedlichen dargestellten Elemente auf einem oder mehreren integrierten Schaltungschips ausführt. Diese Elemente können mit kommunikativen Verbindungen miteinander verbunden sein, die Signale von einer Komponente zur anderen senden können, z. B. über verschiedene Ein- und Ausgänge. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform weist die Vorrichtung 100 eine Initialzufallsquelle 10 und einen Nachverarbeitungsblock 20 auf, der mit der Initialzufallsquelle 10 über den Ausgang B der Initialzufallsquelle 10 in kommunikativer Verbindung steht. Die Initialzufallsquelle 10 kann z. B. als ein oder mehrere Ringoszillatoren ausgeführt sein. Eine veranschaulichende Ausführungsform einer Initialzufallsquelle wird später anhand von 2 beschrieben.
Der Nachverarbeitungsblock 20 weist in dieser veranschaulichenden Ausführungsform mehrere Komponenten auf, dar unter einen Multiplexer 12, eine finite Feld-Multiplikationskomponente 14, eine finite Feld-Quadrierkomponente 16, einen Akkumulator 18 und einen Ausgangskanal 22. Die finite Feld-Multiplikationskomponente 14 und finite Feld-Quadrierkomponente 16 sind veranschaulichende Beispiele für Elemente im Nachverarbeitungsblock 20, die so konfiguriert sind, daß sie finite Feld-Operationen ausführen, die z. B. auch als Galois-Feld-Operationen endlicher Körper bekannt sind.
Der Multiplexer 12 weist zwei Datensignaleingänge C1 und C2 und einen mit dem Ausgang B der Initialzufallsquelle 10 verbundenen Steuersignaleingang sowie einen Ausgang auf, der mit einem ersten Eingang 13 der finite Feld-Multiplikationskomponente 14 verbunden ist. Dadurch ist der Nachverarbeitungsblock 20 so konfiguriert, daß er das Ausgangssignal BM vom Multiplexer 12 zur finite Feld-Multiplikationskomponente 14 überträgt. Neben dem ersten Eingang 13, der mit dem Ausgang des Multiplexers 12 kommunikativ verbunden ist, hat die finite Feld-Multiplikationskomponente 14 auch einen zweiten Eingang 15 sowie einen Ausgang, der mit einem Akkumulator 18 kommunikativ verbunden ist. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist die finite Feld-Multiplikationskomponente 14 so konfiguriert, daß sie eine finite Feld-Multiplikationsoperation an den beiden Signalen durchführt, die über die beiden Eingänge 13 und 15 empfangen werden, um ein resultierendes Ausgangssignal zu erzeugen, und ist so konfiguriert, daß sie das resultierende Ausgangssignal Z zum Akkumulator 18 überträgt.
Der Akkumulator 18 weist sowohl einen Eingang als auch einen Ausgang auf, wobei der Eingang mit dem Ausgang der finiten Feld-Multiplikationskomponente 14 verbunden ist. Ein mit dem Ausgang des Akkumulators 18 verbundener Knoten ermöglicht dessen Ausgang, sowohl mit der finiten Feld-Quadrierkomponente 16 als auch mit einem Ausgangskanal 20 verbunden zu sein. Die finite Feld-Quadrierkomponente 16 ist so konfiguriert, daß sie eine finite Feld-Quadrieroperation durchführt, z. B. finite Feld-Quadrierung der Eingabe. Die finite Feld-Quadrierkomponente 16 weist sowohl einen Eingang, der mit dem Ausgang des Akkumulators 18 verbunden ist, als auch einen Ausgang auf, der mit dem zweiten Eingang 15 der finite Feld-Multiplikationskomponente verbunden ist. Dadurch bilden die finite Feld-Multiplikationskomponente 14, die finite Feld-Quadrierkomponente 16 und der Akkumulator 18 eine zyklische Schleife, während der Akkumulator 18 auch sein Ausgangssignal zum Ausgangskanal 20 führt, der Iterationen einer abschließenden Zufallsausgabe von der Vorrichtung 10 übertragen kann. Ferner kann der Ausgangskanal 20 das Ausgangssignal vom Akkumulator unverändert bereitstellen oder kann zusätzliche Endverarbeitungsschritte durchführen, z. B. Auswählen einer Teilmenge von Bits aus dem Ausgangssignal, z. B. aus seiner Mitte in einer veranschaulichenden Ausführungsform, und diese Teilmenge von Bits als abschließendes Zufallsausgangssignal bereitstellen. Damit ist das abschließende Zufallsausgangssignal kryptographisch stark, und seine Iterationen lassen sich gemäß dieser veranschaulichenden Ausführungsform der Vorrichtung 10 schnell und von einem kompakten Baustein bereitstellen.
Das zum ersten Eingang der finiten Feld-Multiplikationskomponente 14 geführte Signal beruht auf der Initialzufallsquelle, da es unter den Eingaben zum Multiplexer 12 in einer Auswahl ausgewählt ist, die durch die Initialzufallsquelle 10 in dieser veranschaulichenden Ausführungsform gesteuert wird. Das zum Eingang der finiten Feld-Multiplikationskomponente 14 geführte Signal kann auf der Ausgabe der Initialzufallsquelle 10 in verschiedenen Ausführungsformen auf vielfältige andere Weise beruhen, z. B. durch direktes Empfangen der Ausgabe der Initialzufallsquelle 10 oder nach einer oder mehreren vorherigen Transformationen oder durch Empfangen eines Signals, das durch die Ausgabe der Initialzufallsquelle auf gewisse andere Weise in unterschiedlichen Ausführungsformen gesteuert wird.
Dadurch ist der Nachverarbeitungsblock 20 so konfiguriert, daß er ein Eingangssignal BM auf der Grundlage der Initialzufallsquelle 10 mit Hilfe von Komponenten empfängt, z. B. der finiten Feld-Multiplikationskomponente 14 und finiten Feld-Quadrierkomponente 16, um finite Feld-Operationen auf das Eingangssignal BM anzuwenden, um eine randomisierte Ausgabe Z zu erzeugen und ein Ausgangssignal A über einen Ausgangskanal 20 bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal A mindestens teilweise auf der randomisierten Ausgabe Z beruht. Ferner wird das Ausgangssignal A zur finiten Feld-Quadrierkomponente 16 übertragen, die eine finite Feld-Quadrierung durchführt, um A² = A·A als ihre Ausgabe bereitzustellen, und A² wird zum zweiten Eingang 15 der finiten Feld-Multiplikationskomponente 14 geführt. Damit ergibt sich eine kombinierte finite Feld-Operation für den Nachverarbeitungsblock 20, für jede Iteration n des randomisierten Signals, einer randomisierten Ausgabe Z, die gemäß: Z(n + 1) = BM·[A(n)]2 erzeugt wird.
Die Funktion der Vorrichtung 100 kann anhand des Ablaufplans 200 von 2 näher veranschaulichend demonstriert werden, bevor die Komponenten der Vorrichtung 100 näher beschrieben werden. 2 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens 200 zur Erzeugung von Zufallszahlen mit Hilfe von finiten Feld-Operationen, wie es durch die Vorrichtung 100 von 1 veranschaulichend durchgeführt werden kann. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 201 des Erzeugens eines Initialzufallssignals auf, was z. B. mit der Initialzufallsquelle 10 der Vorrichtung 100 als Veranschaulichung geschehen kann. Ferner weist das Verfahren 200 einen Schritt 203 des Verwendens des Initialzufallssignals als Steuersignal auf, um unter mehreren optionalen Eingangssignalen auszuwählen, was z. B. als Veran schaulichung mit dem Multiplexer 12 der Vorrichtung 100 erfolgen kann. Die mehreren optionalen Eingangssignale könnten zwei optionale Eingangssignale sein, was mit den beiden Eingaben zum Multiplexer 12 in 1 gezeigt ist, oder könnten drei oder jede höhere Anzahl optionaler Eingangssignale in anderen Ausführungsformen aufweisen, aus denen auszuwählen ist. Außerdem weist das Verfahren 200 einen Schritt 205 zum Durchführen einer oder mehrerer finiter Feld-Operationen an den Eingangssignalen auf, was z. B. als Veranschaulichung durch die finite Feld-Multiplikationskomponente 14 und/oder finite Feld-Quadrierkomponente 16 im Beispiel für die Vorrichtung 100 durchgeführt werden kann. Zudem weist das Verfahren 200 einen Schritt 207 zum Bereitstellen eines Ausgangssignals auf, das mindestens teilweise auf einem Ergebnis der einen oder der mehreren finiten Feld-Operationen beruht, was z. B. als Veranschaulichung durch den Akkumulator 18 und/oder Ausgangskanal 20 in der Vorrichtung 100 durchgeführt werden kann. Obwohl die Vorrichtung 100 bestimmte veranschaulichende Beispiele für Hardwareelemente vorsieht, die so konfiguriert sind, daß sie die Schritte des Verfahrens 200 durchführen, können auch vielfältige andere Realisierungen zum Einsatz kommen, um unterschiedliche Ausführungsformen des Verfahrens 200 durchzuführen.
Obwohl die finite Feld-Multiplikationskomponente 14 und finite Feld-Quadrierkomponente 16 in 1 als veranschaulichende Beispiele für finite Feld-Operationselemente im Nachverarbeitungsblock 20 dargestellt sind, können unterschiedliche Ausführungsformen von Nachverarbeitungsblöcken nur ein finites Feld-Operationselement oder zwei gemäß 1 oder jede größere Anzahl von finiten Feld-Operationselementen aufweisen. Solche finiten Feld-Operationselemente können so konfiguriert sein, daß sie finite Feld-Operationen durchführen, z. B. finite Feld-Addition, finite Feld-Multiplikation, finite Feld-Quadrierung oder jede andere finite Feld-Operation. Die durch die finiten Feld-Operationselemente empfangenen und erzeugten Signale können in unterschiedlichen Ausführungsformen auch in vielfältigen Konfigurationen angeordnet sein. Obwohl die veranschaulichende Ausführungsform von 1 eine finite Feld-Multiplikationskomponente besitzt, die die Eingabe zum finiten Feld-Quadrierelement führt, und das finite Feld-Quadrierelement seinerseits seine Ausgabe als eine der Eingaben zur finiten Feld-Multiplikationskomponente führt, ist dies nur eine veranschaulichende Konfiguration.
Andere Konfigurationen können z. B. die Ausgaben eines oder mehrerer finiter Feld-Operationselemente als Eingaben zu einer finiten Feld-Additionskomponente oder zu einer finiten Feld-Multiplikationskomponente oder zu einer finiten Feld-Quadrierkomponente oder zu einer weiteren Art von finiter Feld-Operationskomponente verwenden. Ein drittes, viertes oder eine andere Anzahl von finiten Feld-Operationselementen kann ebenfalls mit den ersten beiden finiten Feld-Operationskomponenten verbunden sein, die in 1 dargestellt sind, wobei die Ausgabe vom zweiten als Eingabe für das dritte dient, die Ausgabe vom dritten als Eingabe für das erste oder das vierte dient, die Ausgabe des vierten als Eingabe für das erste oder ein fünftes finites Feld-Operationselement dient, usw. Jedes dieser finiten Feld-Operationselemente kann ein finites Feld-Additionselement, ein finites Feld-Multiplikationselement, ein finites Feld-Quadrierelement oder jede andere Art von finitem Feld-Operationselement sein. Daher tragen solche Elemente dazu bei, den Nachverarbeitungsblock 20 zur Anwendung jeder von vielfältigen finiten Feld-Operationen auf ein Signal auf der Grundlage der Initialzufallsquelle zu konfigurieren. Somit kann jede von vielfältigen Konfigurationen gegenseitig verbundener finiter Feld-Operationselemente verwendet werden, um kryptographisch starke Zufallsausgaben gemäß vielfältigen unterschiedlichen Ausführungsformen zu erzeugen.
Finite Feld-Operationen sind zur Erzeugung einer kryptographisch starken Zufallsausgabe gut geeignet. Ein finites Feld ist ein Feld, das nur endlich viele Elemente enthält. Jedes finite Feld hat pⁿ Elemente für eine gewisse Primzahl p und eine gewisse ganze Zahl n > 0, so daß ein finites Feld durch GF(pⁿ) bezeichnet ist (wobei ”GF” ein Galois-Feld als synonyme Terminologie für ein finites Feld bezeichnet). In einigen Ausführungsformen stellt man fest, daß es praktisch ist, p = 2 zu verwenden, was das finite Feld zu GF(2ⁿ) macht. In diesem Fall können die Elemente von GF(2ⁿ) als n-Bit-Binärvektoren betrachtet werden.
Effektiv ausführen lassen sich finite Feld-Operationen in Hardwareelementen, z. B. der finite Feld-Multiplikationskomponente 14, finite Feld-Quadrierkomponente 16, einer finiten Feld-Additionskomponente (nicht zur veranschaulichenden Ausführungsform von 1 gehörig) oder in anderen Arten von finiten Feld-Operationselementen. Als veranschaulichendes Beispiel kann eine finite Feld-Additionskomponente mit Hilfe von bitweiser Addition entsprechender Binärvektoren ausgeführt sein. Als weiteres veranschaulichendes Beispiel kann ein finites Feld-Multiplikationselement mit einer Schaltung ausgeführt sein, die etwa 7n² logische NAND-Gatter aufweist und eine maximale Anzahl logischer Pegel von etwa 4log(n) hat, was in Tabelle 1 unten dargestellt ist. Als noch weiteres veranschaulichendes Beispiel kann ein finites Feld-Quadrierelement, das eine finite Feld-Quadrierung durchführt, mit Hilfe einer zyklischen Verschiebung eines eingegebenen Binärvektors ausgeführt sein. Auch andere Operationen können in anderen finiten Feld-Operationselementen ausgeführt sein.
Beispielsweise können in einer veranschaulichenden Ausführungsform die finiten Feld-Operationselemente so konfiguriert sein, daß sie finiten Feld-Operationen über finiten Feldern GF(2ⁿ) durchführen, wobei n eine ganze Primzahl zwischen 16 und 32 ist. In diesem Intervall gibt es fünf ganze Primzahlen: 17, 19, 23, 29 und 31. Daher hätten die finiten Felder jeweils 2¹⁷, 2¹⁹, 2²³, 2²⁹ oder 2³¹ Elemente. Finite Feld-Operationskomponenten zum Operieren mit diesen finiten Feldern wären als Veranschaulichung mit etwa 7n² logischen NAND-Gattern ausgeführt. Andere finite Feld-Operationskomponenten können ebenfalls verwendet werden, die als Veranschaulichung mit einer Anzahl logischer NAND-Gatter ausgeführt sein könnten, die nahe 7n² liegt, während ein Bereich signifikanter Variation von diesem Wert möglich ist, der ähnlich oder in einigen Fällen sogar größer als die Variation in dem Fall ist, in dem n 17, 19, 23, 29 oder 31 ist. In noch weiteren Beispielen können die finiten Feld-Operationselemente auch mit anderen Arten logischer Gatter, mit einer Mischung von NAND-Gattern und anderen Arten logischer Gatter oder mit anderen Einrichtungen neben logischen Gattern ausgeführt sein.
3 zeigt zusätzliche Einzelheiten für eine veranschaulichende Ausführungsform einer Initialzufallsquelle 310, die als Initialzufallsquelle 10 der Vorrichtung 100 in 1 verwendet werden kann. In dieser exemplarischen Ausführungsform verfügt die Initialzufallsquelle 310 über einen Ringoszillator 301 zusammen mit einer Oszillatorsteuerung 303. In diesem Beispiel weist der Ringoszillator 301 einen Satz aus mehreren in Reihe verbundenen Invertern 305 auf. Obwohl drei Inverter 305 dargestellt sind, ist dies nur eine Anregung, und der Ringoszillator 301 kann jede Anzahl von Invertern enthalten. Außerdem kann der Ringoszillator 301 einen Satz aus mehreren in Reihe verbundenen Elementen vielfältiger anderer Arten von Elementen aufweisen, z. B. Puffer, logische OR-Gatter oder logische AND-Gatter.
Die Reihe von Invertern 305 ist mit einem Eingang eines Multiplexers 307 verbunden. Die Oszillatorsteuerung hat sowohl einen Datensignalausgang 313 zum anderen Eingang des Multiplexers 307 als auch einen Steuersignalausgang 311 zur Steuereinstellung des Multiplexers 307. Dadurch bildet die Ausgabe 309 des Multiplexers 307 ein Initialzufallssignal von der Initialzufallsquelle 310 in dieser veranschaulichenden Ausführungsform. Die Oszillatorsteuerung 303 prüft den Zustand des Ringoszillators 301, und schaltet das Initialzufallssignal über eine Anzahl von Zyklen, z. B. 10 bis 20 Zyklen, nicht um, so kann die Oszillatorsteuerung 303 den Ringoszillator 301 auf einen neuen Wert mit Hilfe des Steuersignals über den Ausgang 311 und des Datensignals über den Ausgang 313 einstellen. Diese Architektur ermöglicht, den Ringoszillator 310 wieder in einen bekannten Zustand zurückzusetzen oder einen Oszillatorübergang in einen verbotenen Zwischenzustand zu vermeiden.
Die Initialzufallsquelle, die für mit der Vorrichtung 100 von 1 vergleichbare unterschiedliche Ausführungsformen verwendet wird, kann einen Ringoszillator aufweisen, z. B. den Ringoszillator 310, oder kann zwei oder mehr Ringoszillatoren aufweisen, z. B. wenn eine Netto-Initialzufallsquelle aus dem kombinierten Betrieb mehrerer Ringoszillatoren und/oder anderer Zufallsquellengeneratoren in unterschiedlichen Ausführungsformen abgeleitet ist. Außerdem kann in anderen Ausführungsformen die Initialzufallsquelle eine Pseudozufallsquelle allein oder in Kombination mit einem Ringoszillator oder anderen Zufallsgeneratorelementen aufweisen. Beispielsweise kann die Pseudozufallsquelle als Veranschaulichung ein lineares rückgekoppeltes Schieberegister aufweisen.
Ferner kann eine Kombination aus Initialzufallsquelle und Nachverarbeitungsblock z. B. nur einige Elemente in einer größeren Vorrichtung bilden. Eine Vorrichtung kann mehrere Zufallszahlengeneratoren, die parallel arbeiten, oder eine gewisse andere zusammenwirkende Konfiguration aufweisen, wobei einer oder mehrere der einzelnen Zufallszahlengeneratoren jeweils einen vollständigen Baustein mit Komponenten, z. B. wie in der Darstellung der Vorrichtung 100 von 1, oder andere vergleichbare Konfigurationen von Zufallszahlengeneratoren aufweisen können. Die gesamte Vorrichtung kann in einer veranschaulichenden Ausführungsform eine abschließende Zufallsausgabe auf der Grundlage der einzelnen Zufallsausgaben von zwei oder mehr der parallelen Zufallszahlengeneratoren ableiten, z. B. durch Auswählen einer Menge von Zufallsausgabebits von jeweils zwei oder mehr Teilsystemen von Zufallszahlengeneratoren. Eine unterschiedliche Vorrichtung kann zudem zusätzliche Elemente in kommunikativer Verbindung mit dem Nachverarbeitungsblock 20 und so konfiguriert aufweisen, daß sie das Ausgangssignal vom Nachverarbeitungsblock 20 empfangen und eine oder mehrere zusätzliche Transformationen des Ausgangssignals durchführen. Diese und andere Mechanismen können so funktionieren, daß sie der kryptographischen Stärke des abschließenden Ausgangssignals einer Zufallszahlen erzeugenden Vorrichtung gemäß vielfältigen unterschiedlichen veranschaulichenden Ausführungsformen zusätzliche Robustheit verleihen.
Obwohl die Offenbarung anhand von einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von der Offenbarung oder den beigefügten Ansprüchen abzuweichen. Als ein veranschaulichendes Beispiel wird anerkannt, daß Komponenten, die in einer speziellen Ausführungsform möglicherweise beschrieben sind, in einem einzelnen integrierten Schaltungschip oder mit Verteilung von Komponenten über zwei oder mehr integrierte Schaltungschips oder mit Verteilung einiger oder aller Elemente über andere Arten von Schaltungen, Rechenbauelementen und andere Hard- und Softwareressourcen äquivalent vorgesehen sein können. Als weiteres veranschaulichendes Beispiel sollte verständlich sein, daß jeder Fall einer Beschreibung eines Elements als ”veranschaulichend” oder als ”veranschaulichendes Beispiel” teilweise bedeutet, daß sie nur eine mögliche Ausführungsform aus vielfältigen anderen Ausführungsformen mit anderen Konfigurationen betrifft, die sich von den hier ausdrücklich beschriebenen unterscheiden, die aber nach dem Verständnis des Fachmanns ebenfalls im Schutzumfang des Gegenstands liegen, der durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist. Als weiteres veranschaulichendes Beispiel können zuvor beschriebene Verfahrensschritte durch einen oder mehrere integrierte Schaltungschips oder so durchgeführt werden, daß einer oder mehrere oder sämtliche der Verfahrensschritte auf anderen Arten von Hard- oder Softwareelementen durchgeführt werden. Zahlreiche andere Variationen zwischen unterschiedlichen Ausführungsformen können ebenfalls in den Grenzen des Gegenstands vorgenommen werden, der durch die Offenbarung beschrieben und die nachfolgenden Ansprüche festgelegt ist.
Zusammenfassung
Finite-Feld-Operationen verwendender kryptographischer Zufallszahlengenerator
In verschiedenen veranschaulichenden Ausführungsformen werden eine Vorrichtung (100) und ein Verfahren (200) für einen integrierten Schaltungschip bereitgestellt, der einen schnellen, kompakten und kryptographisch starken Zufallszahlengenerator vorsieht. In einer veranschaulichenden Ausführungsform weist eine Vorrichtung eine Initialzufallsquelle (10, 310) und einen Nachverarbeitungsblock (20) in kommunikativer Verbindung mit der Initialzufallsquelle (10, 310) auf. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist der Nachverarbeitungsblock (20) so konfiguriert, daß er Signale von der Initialzufallsquelle (10, 310) empfängt, eine oder mehrere finite Feld-Operationen auf die Signale anwendet, um eine Ausgabe zu erzeugen, und ein Ausgangssignal auf der Grundlage der Ausgabe über einen Ausgangskanal (22) bereitstellt.

Claims

Vorrichtung mit: einer Initialzufallsquelle; und einem Nachverarbeitungsblock in kommunikativer Verbindung mit der Initialzufallsquelle, wobei der Nachverarbeitungsblock so konfiguriert ist, daß er ein Eingangssignal auf der Grundlage der Initialzufallsquelle empfängt, eine oder mehrere finite Feld-Operationen auf das Eingangssignal anwendet, um eine randomisierte Ausgabe zu erzeugen, und ein Ausgangssignal über einen Ausgangskanal bereitstellt, wobei das Ausgangssignal mindestens teilweise auf der randomisierten Ausgabe beruht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren finiten Feld-Operationen, für deren Anwendung auf das Eingangssignal der Nachverarbeitungsblock konfiguriert ist, mindestens eine Operation aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus finiter Feld-Addition, finiter Feld-Multiplikation und finiter Feld-Quadrierung besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die eine oder die mehreren finiten Feld-Operationen, für deren Anwendung auf das Eingangssignal der Nachverarbeitungsblock konfiguriert ist, ferner mindestens eine zusätzliche Operation aufweisen, die aus finiter Feld-Addition, finiter Feld-Multiplikation und finiter Feld-Quadrierung ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die eine oder die mehreren finiten Feld-Operationen, für deren Anwendung auf das Eingangssignal der Nachverarbeitungsblock konfiguriert ist, sowohl finite Feld-Multiplikation als auch finite Feld-Quadrierung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren finiten Feld-Operationen, für deren Anwendung auf das Eingangssignal der Nachverarbeitungsblock konfiguriert ist, finite Feld-Operationen über einem Galois-Feld einer zur n-ten Potenz erhobenen Primzahl aufweisen, wobei n eine ganze Primzahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Nachverarbeitungsblock ferner so konfiguriert ist, daß n aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus 17, 19, 23, 29 und 31 besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Primzahl 2 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Nachverarbeitungsblock ferner so konfiguriert ist, daß er das Ausgangssignal als Teilmenge von Bits aus der randomisierten Ausgabe bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Initialzufallsquelle einen Ringoszillator aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Ringoszillator mehrere in Reihe verbundene Elemente aufweist, wobei die Elemente mindestens eine Elementart aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Invertern, Puffern, logischen OR-Gattern und logischen AND-Gattern besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Initialzufallsquelle mehrere Ringoszillatoren aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Initialzufallsquelle eine Pseudozufallsquelle aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Pseudozufallsquelle ein lineares rückgekoppeltes Schieberegister aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Initialzufallsquelle und der Nachverarbeitungsblock zu einem ersten Zufallszahlengenerator gehören, wobei die Vorrichtung ferner einen oder mehrere zusätzliche Zufallszahlengeneratoren aufweist, die parallel zum ersten Zufallszahlengenerator arbeiten, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, daß das Ausgangssignal Zufallsbits jeweils vom ersten Zufallszahlengenerator und von dem einen oder den mehreren zusätzlichen Zufallszahlengeneratoren aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem oder mehreren zusätzlichen Elementen in kommunikativer Verbindung mit dem Nachverarbeitungsblock und so konfiguriert, daß sie das Ausgangssignal vom Nachverarbeitungsblock empfangen und eine oder mehrere zusätzliche Transformationen des Ausgangssignals durchführen.
Verfahren mit: Erzeugen eines Initialzufallssignals; Verwenden des Initialzufallssignals als Steuersignal, um unter mehreren optionalen Eingangssignalen auszuwählen; Durchführen einer oder mehrerer Finite-Feld-Operationen an den Eingangssignalen; und Bereitstellen eines Ausgangssignals, das mindestens teilweise auf einem Ergebnis der einen oder der mehreren Finite-Feld-Operationen beruht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Finite-Feld-Operationen eine oder mehrere Operationen aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Finite-Feld-Addition, Finite-Feld-Multiplikation und Finite-Feld-Quadrierung besteht.
Integriertes Schaltungsbauelement mit: einem Ringoszillator; einem Multiplexer mit zwei Datensignaleingängen, einem Steuersignaleingang und einem Ausgang, wobei der Steuersignaleingang mit einem Ausgang des Ringoszillators kommunikativ verbunden ist; einer finite Feld-Multiplikationskomponente mit einem ersten und einem zweiten Eingang sowie einem Ausgang, wobei der erste Eingang der finiten Feld-Multiplikationskomponente mit dem Ausgang des Multiplexers kommunikativ verbunden ist; einer finiten Feld-Quadrierkomponente mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Ausgang der finiten Feld-Quadrierkomponente mit dem zweiten Eingang der finiten Feld-Multiplikationskomponente kommunikativ verbunden ist; und einem Akkumulator mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang des Akkumulators mit dem Ausgang der finiten Feld-Multiplikationskomponente kommunikativ verbunden ist und der Ausgang des Akkumulators sowohl mit dem Eingang der finiten Feld-Quadrierkomponente als auch mit einem Ausgangskanal kommunikativ verbunden ist.
Integriertes Schaltungsbauelement nach Anspruch 18, wobei die finite Feld-Multiplikationskomponente so konfiguriert ist, daß sie über einem finiten Feld von 2 hoch n multipliziert, wobei die finite Feld-Multiplikationskomponente etwa 7n² logische NAND-Gatter aufweist.
Integriertes Schaltungsbauelement nach Anspruch 18, wobei die finite Feld-Quadrierkomponente so konfiguriert ist, daß sie eine zyklische Verschiebung eines eingegebenen Binärvektors durchführt.