EP1723511A1 - Manipulationssichere erzeugung von echten zufallszahlen - Google Patents

Manipulationssichere erzeugung von echten zufallszahlen

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EP1723511A1
EP1723511A1 EP05707924A EP05707924A EP1723511A1 EP 1723511 A1 EP1723511 A1 EP 1723511A1 EP 05707924 A EP05707924 A EP 05707924A EP 05707924 A EP05707924 A EP 05707924A EP 1723511 A1 EP1723511 A1 EP 1723511A1
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EP
European Patent Office
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memory cell
random number
duration
random numbers
reloading
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05707924A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Franke
Reinhold Koller
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00—Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
    • G06F7/58—Random or pseudo-random number generators
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00—Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
    • G06F7/58—Random or pseudo-random number generators
    • G06F7/588—Random number generators, i.e. based on natural stochastic processes

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for generating a real random number
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device with which a real random number can be generated quickly, that is to say, for example in the millisecond range, in a memory-saving manner, regardless of the device runtime, without storage between the operating cycles of the control device and without external sources (random triggers).
  • the method according to the invention builds on the generic state of the art in that the real random number is generated on the basis of a stochastically distributed duration of an electrical recharging process.
  • This solution creates a real random number, that is, not a pseudo-random number.
  • the method cannot be manipulated by external wiring. In many cases, no additional components are required compared to the existing assembly of the respective system, so that the additional costs are low.
  • Another advantage of the method is that it is not necessary to store a state which then manipulated or: could be reset.
  • the method according to the invention is particularly advantageous if the reloading process forming the stochastic source can be carried out in a component which is in any case part of the system which, in addition to fulfilling other tasks, must also generate the random number.
  • the reloading process comprises reloading at least one memory cell.
  • Storage cells-n are part of modern systems anyway and therefore represent a particularly cost-effective basis for carrying out cLes reloading.
  • At least one memory cell is a memory cell of an EEPROM.
  • the memory cell is subject to comparatively large stoctastic scattering, on the basis of which real random numbers can be generated.
  • Memory cell is a memory cell of a FLASH memory --- rs.
  • FLASH memories are being used increasingly and therefore in many cases represent a suitable basis for the generation according to the invention in real additional numbers without additional costs.
  • the reloading process is carried out with the aid of a charge pump.
  • charge pumps is common, for example, in connection with EEPROMs, with on-chip charge pumps being provided in many cases.
  • the stochastic duration of the reloading process is recorded with the aid of a counter. It is advantageous if the clocking of the counter is as high as possible, so that with regard to the Gt-round position for the random number serving meter reading at the end of the reloading process, the largest possible scatter.
  • the method according to the invention is considered to be particularly advantageous if it is provided that it is carried out by an embedded system, in particular by an engine control system of a motor vehicle.
  • an embedded system in particular by an engine control system of a motor vehicle.
  • all embedded systems come into question which are used in environments in which (also) the generation of good random numbers is necessary.
  • the device according to the invention builds on the generic state of the art in that it generates the real random number on the basis of a stochastically distributed duration of an electrical charging process. This results in the advantages and properties explained in connection with the method according to the invention in the same or similar manner, which is why reference is made to the corresponding statements above in order to avoid repetitions.
  • the device according to the invention is advantageously further developed in that it has at least one memory cell which is electrically charged to generate the random number. It can advantageously be provided that at least one memory cell is a memory cell of an EEPROM.
  • At least one memory cell is a memory cell of a FLASH memory.
  • the device according to the invention is advantageously further developed in that it has a charge pump for carrying out the reloading process.
  • Embodiments of the device according to the invention in which it is provided that it is an embedded system, in particular an engine control of a motor vehicle, are considered to be particularly advantageous.
  • An essential basic idea of the present invention is that true random numbers can be generated practically without additional costs by systems if a component that is already part of the system is used as the stochastic source, for example a charge pump, which is part of a control unit.
  • the invention is particularly suitable for all departments that have to generate a good, real random number with existing systems (that is to say without specially provided components) without having access to independent, tamper-proof generators (triggers). This includes, but is not limited to, in particular all cost-optimized embedded systems.
  • random numbers are required, for example, in particular for access protection (also during maintenance work) and for encryption purposes (for example immobilizer).
  • FIG. 1 shows a flow diagram which illustrates an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a graph which illustrates possible recharging processes of a memory cell
  • Figure 3 is a highly simplified, schematic block diagram of components of an engine control.
  • step S1 a counter is reset whose later counter reading serves as the basis for the generation of the real random number or which directly represents this random number.
  • a reloading process is started in step S3 and the counter is started at the same time.
  • the reloading process can be, in particular, writing to an EEPROM or FLASH memory cell, which is usually carried out using a charge pump.
  • step S4 it is checked whether the reloading process has been completed until this is the case.
  • the counter is then stopped in step S5.
  • step S6 the counter reading is read out and as a real random number used. If necessary, however, the final random number can also be generated with the aid of further computing functions.
  • the illustrated method ends in step S7.
  • FIG. 2 illustrates three stochastically distributed recharging processes of a memory cell.
  • the actual duration of a current reloading process can lie between a shortest duration T '(curve Q') and a longest duration T , f (curve Q '") and can be, for example, T (curve Q).
  • FIG. 3 shows a highly simplified, schematic block diagram of components of an engine control, the engine control 18 shown being in the form of an embedded system.
  • the motor controller 18 can include a large number of further components, not shown, which are required to fulfill all the tasks placed on the motor controller. All hereinafter explained in more detail components, that is not specifically superiors already part of the motor controller 18 to generate the true random numbers, see v.
  • the motor controller 18 shown has an intelligent controller 20, which is suitable, among other things, for controlling a charge pump 14, which is provided for reloading a memory cell 10 of a memory cell array 22 of an EEPROM 12 when the content of the memory cell 10 is to be changed.
  • the controller 20 continues to communicate with a counter 16, with which the actual duration of a reloading process of the memory cell 10 is recorded.
  • a counter 16 with which the actual duration of a reloading process of the memory cell 10 is recorded.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer echten Zufallszahl vorgestellt, wobei die echte Zuffallszahl auf der Grundlage einer stochastisch verteilten Dauer (t) eines elektrischen Umladevorgangs erzeugt wird. Dabei kommen insbesondere Umladevorgänge von Speicherzellen, beispielsweise EEPROM- oder FLASH-Speicherzellen, in Betracht, die mit Hilfe einer Ladungspumpe durchgeführt werden.

Description

Manipulationssichere Erzeugung von echten Zufallszahlen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer echten Zufallszahl-
Beispielsweise für Zugriffsschutz- oder Verschlüsselungszwecke ist es erforderlich, gute manipulationssichere Zufalls- zahlen zu erzeugen. Im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugwegfahrsperren erfolgt diese Erzeugung der Zufallszahlen beispielsweise auf der Ebene der Motorsteuerung, bei der es sich in vielen Fällen um ein Embedded-System handelt. Dabei scheidet der Einsatz von externen Quellen aufgrund von Manipulations- möglichkeiten und die Verwendung von speziellen Schaltkreisen wegen der damit verbundenen zusätzlichen Stückkosten aus.
Zur Erzeugung echter Zufallszahlen ist es unter anderem bekannt, die niederwertigen^Bits einer A/D-Wandlung von Signa- len einer separaten Rauschquelle zu verwenden, was jedoch mit erheblichen Kosten verbunden ist. Es ist ebenfalls bekannt, eine echte Zufallszahl über eine Zeitmessung eines externen Ereignisses, beispielsweise der Dauer eines vom Benutzer vorgenommenen Tastendruckes, zu erzeugen. Diese Lösung scheidet jedoch zumindest in den Fällen aus, in denen das System die Kommunikation eröffnet und daher vor einem externen Ereignis die Zufallszahl erzeugen muss. Neben der Erzeugung von echten Zufallszahlen ist es weiterhin bekannt, eine Pseudo-Zufalls- zahlenreihe zu nutzen und den aktuellen Status beispielsweise in einem nicht-flüchtigen Speicher: des Systems zu speichern. Allerdings ist die Qualität von Pseudo-Zufauszahlen im Vergleich zu echten Zufallszahlen unzureichend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine echte Zufallszahl schnell, das heißt beispielsweise im Millisekundenbereich, speichersparend, gerätelaufzeitunabhängig, ohne Speicherung zwischen den Betriebszyklen des Steuergeräts und ohne externe Quellen (zufällige Trigger) erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das er indungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die echte Zufallszahl auf der Grundlage einer stochastisch verteilten Dauer eines e- lektrischen Umladevorgangs erzeugt wird. Durch diese Lösung wird eine echte Zufallszahl erzeugt, das heißt keine Pseudo- Zufallszahl. Weiterhin kann das Verfahren nicht durch exter>n,e Beschaltung manipuliert werden. In vielen Fällen werden gegenüber der vorhandenen Bestückung des jeweiligen Systems keine weiteren Bauteile benötigt, so dass die Zusatzkosten gering sind. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es nicht erforderlich ist, einen Zustand zu speichern, der dann manipuliert beziehungsweise : zurückgesetzt werden könnte. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn der die stochastische Quelle bildende Umladevorgang in einer Komponente durchgeführt werden kann, die ohnehin Bestandteil des Systems ist, das neben der Erfüllung anderer Aufgaben auch die Zufallszahl erzeugen muss. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Umladevorgang ein Umladen zumindest einer Speicherzelle umfasst. Speicherzelle-n sind ohnehin Bestandteil moderner Systeme und stellen daher eine besonders kostengünstige Grundlage zur Durchführung cLes Umladevorgangs dar .
In diesem Zusammenhang kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zumindest eine Speicherzelle eine Speicherzelle eines EEPROM ist. Die Dauer eines Umladevorgangs einer EEP-ROM-
Speicherzelle unterliegt vergleichsweise großen stoctasti- schen Streuungen, auf deren Grundlage sich echte Zuf-allszah- len erzeugen lassen.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass zumindest --eine
Speicherzelle eine Speicherzelle eines FLASH-Speiche---rs ist. FLASH-Speicher finden zunehmend Verwendung und stellen daher in vielen Fällen ohne zusätzliche Kosten eine geeignete Grundlage für die erfindungsgemäße Erzeugung s£pn echten Zu- fauszahlen dar.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist weiterhin vorgesehen, dass der Umladevorcgang mit Hilfe einer Ladungspumpe durchgeführt wird. Der Einsatz von Ladungspumpen ist beispielsweise im Zusammenhang mit EEPROMs üblich, wobei in vielen Fällen On-Chip-Ladungspumpen vorgesehen sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteilhafter Weise weiterhin vorgesehen sein, dass die stochastische Dauer des Umladevorgangs mit Hilfe eines Zählers erfasst wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Taktung des Zählers möglichst hoch ist, so dass sich hinsichtlich des als G-t-rundlage für die Zufallszahl dienenden Zählerstandes am Ende des Umladevorgangs möglichst große Streuungen ergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird als besonders vorteilhaft erachtet, wenn vorgesehen ist, dass es von einem Embedded- System durchgeführt wird, insbesondere von einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs . Dabei kommen prinzipiell alle Em- bedded-Systems in Frage, die in Umgebungen eingesetzt werden, in denen (auch) die Erzeugung von guten Zufallszahlen erfor- derlich ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass sie die echte Zufallszahl auf der Grundlage einer stochastisch verteilten Dauer eines elektrischen Uraladevorgangs erzeugt. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile und Eigenschaften in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden obigen Ausführungen ve-awiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die nachfolgend angegebenen vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird. .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass sie zumindest eine Speicherzelle aufweist, die zur Erzeugung der Zufallszahl elektrisch umge- laden wird. Dabei kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass zumindest eine Speicherzelle eine Speicherzelle eines EEPROM ist.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass zumindest eine Speicherzelle eine Speicherzelle eines FLASH-Speichers ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass sie zur Durchführung des Umladevorgangs eine Ladungspumpe aufweist.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann weiterhin vorgesehen sein, dass sie zur Erfassung der sto- chastisch verteilten Dauer des Umladevorgangs einen Zähler aufweist.
Als besonders vorteilhaft werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung erachtet, bei denen vorgesehen ist, dass sie ein Embedded-System ist, insbesondere eine Motorsteuerung eines Kraf fahrzeugs.
Ein wesentlicher Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass echte Zufallszahlen praktisch ohne Mehrkos- ten von Systemen erzeugt werden können, wenn als stochasti- sche Quelle eine ohnehin zum System zählende Komponente verwendet wird, beispielsweise eine Ladungspumpe, die Bestandteil eines Steuergeräts ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für alle Dienststellen, die mit vorhandenen Systemen (das heißt ohne extra dafür vorgesehene Bauteile) eine gute, echte Zufallszahl erzeugen müssen, ohne Zugriff auf unabhängige, manipulationssichere Generatoren (Trigger) zu haben. Darunter fallen, ohne darauf beschränkt zu sein, insbesondere alle kostenoptimierten Embedded-Systems . Im Zusammenhang mit der Kraftfahrzeugtechnik werden Zufallszahlen beispielsweise insbesondere für den Zugriffsschutz (auch bei Wartungsarbeiten) und für Verschlüsselungszwecke (zum Beispiel Wegfahr- sperre) benötigt.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht;
Figur 2 einen Graph, der mögliche UmladeVorgänge einer Speicherzelle veranschaulicht;
Figur 3 ein stark vereinfachtes, schematisches Blockschaltbild von Komponenten einer Motorsteuerung.
Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt beim Schritt Sl. Im Schritt S2 wird ein Zähler zurückgesetzt, dessen späterer Zählerstand als Grundlage für die Erzeugung der echten Zufallszahl dient oder der diese Zufallszahl direkt darstellt. Im Schritt S3 wird ein Umladevorgang begonnen und gleichzeitig der Zähler gestartet. Bei dem Umladevorgang kann es sich insbesondere um ein Schreiben in eine EEPROM- oder FLASH-Speicherzelle handeln, das üblicherweise unter Verwendung einer Ladungspumpe erfolgt. Im Schritt S4 wird solange geprüft, ob der Umladevorgang abgeschlossen ist, bis dies der Fall ist. Anschließend wird im Schritt S5 der Zähler gestoppt. Im Schritt S6 wird der Zählerstand ausgelesen und als echte Zufallszahl verwendet. Gegebenenfalls kann die endgültige Zufallszahl jedoch auch unter Zuhilfenahme weiterer Rechenfunktion erzeugt werden. Das dargestellte Verfahren endet im Schritt S7.
Figur 2 veranschaulicht drei stochastisch verteilte Umladevorgänge einer Speicherzelle. Die tatsächliche Dauer eines aktuellen Umladevorgangs kann dabei zwischen einer kürzesten Dauer T' (Kurve Q') und einer längsten Dauer T,f (Kurve Q'") liegen und beispielsweise T (Kurve Q) betragen.
Figur 3 zeigt ein stark vereinfachtes, schematisches Blockschaltbild von Komponenten einer Motorsteuerung, wobei die dargestellte Motorsteuerung 18 in Form eines Embedded-Systems vorliegt. Die Motorsteuerung 18 kann eine Vielzahl weiterer nicht dargestellter Komponenten umfassen, die zur Erfüllung aller an die Motorsteuerung gestellten Aufgaben erforderlich sind. Sämtliche im Folgenden näher erläuterten Komponenten sind ohnehin Bestandteil der Motorsteuerung 18, das heißt nicht speziell zur Erzeugung der echten Zufallszahlen vorge- ,v sehen. Die dargestellte Motorsteuerung 18 weist einen intelligenten Controller 20 auf, der unter anderem dazu geeignet ist, eine Ladungspumpe 14 anzusteuern, die dazu vorgesehen ist, eine Speicherzelle 10 eines Speicherzellenarrays 22 eines EEPROMs 12 umzuladen, wenn der Inhalt der Speicherzelle 10 verändert werden soll. Der Controller 20 kommuniziert wei-, terhin mit einem Zähler 16, mit dem die tatsächliche Dauer eines Umladevorgangs der Speicherzelle 10 erfasst wird. Der Fachmann erkennt, dass mit den in Figur 3 dargestellten Komponenten das anhand von Figur 1 erläuterte Verfahren in vor- teilhafter Weise durchgeführt werden kann. Auf eine erneute Erläuterung des Ablaufs der Erzeugung einer Zufallszahl wird daher an dieser Stelle verzichtet. Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen einer echten Zufallszahl, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die echte Zufallszahl auf der Grundlage einer sto- chastisch verteilten Dauer (T) eines elektrischen Umladevorgangs erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Umladevorgang ein Umladen zumindest einer Speicherzelle (10) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine Speicherzelle (10) eine Speicherzelle eines EEPROM (12) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine Speicherzelle (10) eine Speicherzelle eines FLASH-Speichers ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Umladevorgang mit Hilfe einer Ladungspumpe (14) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die stochastische Dauer (T) des Umladevorgangs mit Hilfe eines Zählers (16) erfasst wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es von einem Embedded-System (18) durchgeführt wird, insbesondere von einer Motorsteuerung (18) eines Kraftfahr- zeugs .
8. Vorrichtung, die zur Erzeugung einer echten Zufallszahl geeignet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie die echte Zufallszahl auf der Grundlage einer sto- chastisch verteilten Dauer (T) eines elektrischen Umladevorgangs erzeugt .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zumindest eine Speicherzelle (10) aufweist, die zur Erzeugung der Zufallszahl elektrisch umgeladen wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine Speicherzelle (10) eine Speicherzelle eines EEPROM (12) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine Speicherzelle (10) eine Speicherzelle eines FLASH-Speichers ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zur Durchführung des Umladevorgangs eine Ladungspumpe (14) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zur Erfassung der stochastisch verteilten Dauer (T) des Umladevorgangs einen Zähler (16) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie ein Embedded-System (18) ist, insbesondere eine Motorsteuerung (18) eines Kraftfahrzeugs.
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