JP2937919B2 - 疑似乱数発生回路 - Google Patents
疑似乱数発生回路Info
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Description
疑似乱数発生回路に係り、特に乱数の周期に不規則性を
持たせて乱数性を高めた疑似乱数発生回路に関するもの
である。
用いられているが、このときの乱数としては、扱いやす
さや処理の簡単さから真性乱数よりも、ソフトウェアで
も容易に作成可能な疑似乱数を用いることが多い。疑似
乱数を発生する疑似乱数発生回路としては、リニアフィ
ードバックシフトレジスタ(Linear Feedback Shift Re
gister、以下、LFSRと略す)が生成する長周期の乱
数列を用いることが一般的となっている。LFSRは、
直列に接続された複数のレジスタの所定の出力が排他的
論理和回路を介して先頭のレジスタにフィードバックさ
れる構造となっており、フィードバック部に排他的論理
和回路を設けることにより、比較的長周期の乱数列を得
ることが可能である。
SRから得られる乱数列の周期は、n次の線形最大周期
列(M系列と呼ばれる)2n −1となる。なお、LFS
Rで用いられる周期とは、時間を表すものではなく、生
成される乱数のパターンが何通りあるかを示すパターン
周期(つまり、このパターン周期ごとに同一の乱数が発
生する)であるが、以降では単に周期と記載する。図5
に7段のLFSRを用いた従来の疑似乱数発生回路のブ
ロック図を示す。この疑似乱数発生回路は、直列に接続
された七個のレジスタ12−1〜12−7のうちの2段
目のレジスタ12−2の出力と最後段のレジスタ12−
7の出力を排他的論理和回路14に入力し、この排他的
論理和回路14の出力を先端のレジスタ12−1の入力
にフィードバックする構成となっている。
合、M系列のビット列を生成するので、図5のような7
段のLFSRの場合は、127(=27 −1)通りの疑
似乱数列を生成することができる。このようなn段の構
造を持つLFSRは、2n −1の周期を有する乱数列が
得られるものであるが、生成される乱数列を暗号回路の
シードとして用いた場合、この暗号回路から生成される
暗号文は比較的容易に解読されてしまう危険性がある。
例えば、畳み込み符号に代表されるストリーム型暗号で
は、平文の2進系列と疑似乱数発生回路から生成した2
進疑似乱数系列の排他的論理和をとることによりストリ
ーム暗号を生成するが、疑似乱数系列又は疑似乱数系列
生成論理が判明してしまった場合、入手した暗号文から
平文を再生することは容易に可能であり、その結果暗号
回路としての機能を失ってしまうことになる。
析等を行っても、予測不可能な疑似乱数系列を効率的に
生成することが重要なことは周知の事実である。データ
解析を行っても解析不可能な疑似乱数系列を生成するに
は、次数n(レジスタの個数)を増やせばよいが、回路
規模等の制約から少ないビット数のLFSRしか使用す
ることができない場合がある。したがって、少ないビッ
ト数のLFSRを用いた疑似乱数発生回路から生成され
る乱数列を暗号アルゴリズムのシードとして用いる場合
には、乱数列の予測が困難となるように効率的に乱数列
の周期を乱す工夫が必要となる。
性を高めた疑似乱数発生回路が提案されている(特開平
5−327427号公報)。図6、図7に特開平5−3
27427号公報で提案された従来の疑似乱数発生回路
のブロック図を示す。図6の疑似乱数発生回路では、先
頭のレジスタ12−1の出力と最後段のレジスタ12−
7の出力を排他的論理和回路14aに入力している。そ
して、切替スイッチ15は、この排他的論理和回路14
aの出力とレジスタ12−7の出力のうちの何れかを選
択して、レジスタ12−1の入力にフィードバックする
ように接続されている。この切替スイッチ15は、通
常、排他的論理和回路14aの出力を選択しており、レ
ジスタ12−1〜12−7のビット数に応じた乱数列の
一周期分の回数だけLFSRがシフトした後に、レジス
タ12−7の出力を選択し、この状態で所定の回数のシ
フトが行われた後に、再び排他的論理和回路14aの出
力を選択する。このようにして、乱数列の周期を長くす
ることができる。
のレジスタ12−1の出力と2段目のレジスタ12−2
の出力を切替スイッチ15aに入力している。そして、
この切替スイッチ15aの出力と最後段のレジスタ12
−7の出力を排他的論理和回路14bに入力し、この排
他的論理和回路14bの出力を先頭のレジスタ12−1
に入力するようにしている。切替スイッチ15aは、初
めレジスタ12−1の出力を選択しており、レジスタ1
2−1〜12−7のビット数に応じた乱数列の一周期分
の回数だけLFSRがシフトした後に、レジスタ12−
2の出力を選択し、この状態で乱数列の一周期分の回数
だけLFSRがシフトした後に、再びレジスタ12−1
の出力を選択する。このようにして、乱数の周期を約2
倍にすることができる。
の疑似乱数発生回路では、乱数性を高めているが、LF
SRで得られる乱数系列を著しく乱すものではないの
で、生成された乱数列とその疑似乱数発生回路を動作さ
せている周辺の回路動作との比較検討により、疑似乱数
発生回路の構成が判明してしまうという問題点があっ
た。その結果、このような疑似乱数発生回路から生成さ
れる乱数列を暗号アルゴリズムのシードとして利用して
いると、暗号生成回路の出力である暗号コードと解析し
た乱数系列とにより、暗号化する前の平文が比較的容易
に解読されてしまうという問題点があった。本発明は、
上記課題を解決するためになされたもので、少ないビッ
ト数のLFSRで高い乱数性が得られ、かつ生成された
乱数列から回路構成を解析することのできない疑似乱数
発生回路を提供することを目的とする。
路は、請求項1に記載のように、生成する乱数のビット
幅分のレジスタと少なくとも1ビットの冗長レジスタか
ら複数のレジスタが構成され、シフトクロックに応じて
シフト動作を行うリニアフィードバックシフトレジスタ
と、冗長レジスタの出力値に応じて複数の内部クロック
から1つを選択し、これをシフトクロックとして出力す
る選択回路とを有するものである。このように、リニア
フィードバックシフトレジスタ中に冗長レジスタを設
け、選択回路が冗長レジスタの出力値に応じて複数の内
部クロックから1つを選択してシフトクロックとして出
力することにより、見かけ上の周期がレジスタ及び冗長
レジスタのビット数で決定される周期よりも長くなる疑
似乱数発生回路を得ることができる。
乱数のビット幅分のレジスタと少なくとも1ビットの冗
長レジスタから複数のレジスタが構成され、シフトクロ
ックに応じてシフト動作を行うリニアフィードバックシ
フトレジスタと、冗長レジスタの出力値に応じて複数の
内部クロックから1つを選択する選択回路と、内部クロ
ックよりも高速なクロックと選択回路の出力との論理積
をとり、この結果をシフトクロックとして出力する論理
積回路とを有するものである。このように、リニアフィ
ードバックシフトレジスタ中に冗長レジスタを設け、選
択回路が冗長レジスタの出力値に応じて複数の内部クロ
ックから1つを選択し、論理積回路が内部クロックより
も高速なクロックと選択回路の出力との論理積をとるこ
とにより、見かけ上の周期がレジスタ及び冗長レジスタ
のビット数で決定される周期よりも長くなる疑似乱数発
生回路を得ることができる。
ィードバックシフトレジスタの代わりに、生成する乱数
のビット幅分のレジスタから複数のレジスタが構成さ
れ、シフトクロックに応じてシフト動作を行う第1のリ
ニアフィードバックシフトレジスタと、複数のレジスタ
中に少なくとも1ビットの冗長レジスタを含み、シフト
クロックに応じてシフト動作を行う第2のリニアフィー
ドバックシフトレジスタとを有するものである。
面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形
態を示す疑似乱数発生回路のブロック図、図2はこの疑
似乱数発生回路の動作を説明するためのタイミングチャ
ート図である。図2(a)は後述するレジスタ2−1〜
2−7,3−1,3−2をリセットするためのリセット
信号RST、図2(b)〜図2(e)は内部クロックC
LKa〜CLKd、図2(f)はシフトクロックSC
K、図2(g)は冗長レジスタ3−1,3−2の出力値
d1,d2を示している。
トクロックSCKに応じてシフト動作を行うLFSR1
と、図示しないクロック発生手段から出力された内部ク
ロックCLKa,CLKb,CLKc,CLKdから1
つを選択し、これをシフトクロックSCKとして出力す
る選択回路となるデコーダ/マルチプレクサ5(以下、
MPX5と略す)を有する。
ビット幅分(本実施の形態では7個)だけ直列に接続さ
れたレジスタ2−1〜2−7と、このレジスタの上位側
に直列に接続された、その出力が外部に読み出されるこ
とのない冗長レジスタ3−1,3−2と、レジスタ2−
2,2−7の出力を入力とし、その出力をレジスタ3−
1の入力にフィードバックする排他的論理和回路4とか
ら構成されている。なお、レジスタ3−1,3−2,2
−1〜2−6の各出力は、次段のレジスタの入力に接続
されている。
の出力値d1,d2をデコードし、このデコード結果に
基づいて内部クロックCLKa,CLKb,CLKc,
CLKdから1つを選択する。本実施の形態では、冗長
レジスタ3−1,3−2の出力値d1,d2がそれぞれ
「0」,「0」のときは内部クロックCLKa、
「0」,「1」のときは内部クロックCLKb、
「1」,「0」のときは内部クロックCLKc、
「1」,「1」のときは内部クロックCLKdを選択す
るものとする。
3−2は、リセット信号RSTの入力により出力が
「1」に初期設定される。そして、この初期設定後にリ
セットが解除されると、シフトクロックSCKの立ち上
がりエッジのタイミングでシフト動作を行い、入力値を
ラッチする。なお、リセット信号RSTは、ハイ・アク
ティブであり、「1」でイネーブル(リセット)、
「0」でディセーブル(リセット解除)である。
1〜b7が7ビット幅の乱数列として読み出される。な
お、乱数列の読み出しを連続して行っても、同じ値が読
み出されることのないように、内部クロックCLKa〜
CLKdの周波数は、読み出し周波数の最高値の2倍以
上に設定される。次に、冗長レジスタ3−1,3−2及
びレジスタ2−1〜2−7の出力値の時系列的な変化を
表1に示す。
ット信号RSTがイネーブル時の初期状態のタイミン
グ、t1〜t5は、リセット解除後のシフトクロックS
CKの各立ち上がりタイミングを示す。最初に、「1」
レベルのリセット信号RSTの入力により、レジスタ2
−1〜2−7及び冗長レジスタ3−1,3−2の出力値
は、全て「1」に初期化される(タイミングt0)。
1,d2が「1」,「1」なので、MPX5は、図2
(f)に示すように、内部クロックCLKdを選択し
て、これをシフトクロックSCKとして出力する。次い
で、リセット信号RSTがディセーブル、すなわち
「0」になった後、シフトクロックSCKの立ち上がり
(タイミングt1)で、冗長レジスタ3−1,3−2及
びレジスタ2−1〜2−7はシフト動作を行う。
の出力値d1,d2が「0」,「1」となるので、MP
X5は、内部クロックCLKbを選択して、これをシフ
トクロックSCKとして出力する。続いて、このクロッ
クSCKの立ち上がり(タイミングt2)で、冗長レジ
スタ3−1,3−2及びレジスタ2−1〜2−7はシフ
ト動作を行う。その結果、冗長レジスタ3−1,3−2
の出力値d1,d2が「0」,「0」となるので、MP
X5は、内部クロックCLKaを選択して、これをシフ
トクロックSCKとして出力する。
SCKの立ち上がり(タイミングt5)で、シフト動作
が行われると、冗長レジスタ3−1,3−2の出力値d
1,d2が「1」,「0」となるので、MPX5は、内
部クロックCLKcを選択する。以下、同様の動作が繰
り返される。
のLFSRとして考えると、乱数列の最大周期は29 −
1であり、冗長レジスタ3−1,3−2の2ビットをマ
スクして考えると、29 −1周期の間にレジスタ2−1
〜2−7がとり得る値の組み合わせは27 ×4−1であ
る。ただし、29 −1周期の間に27 周期が規則的に現
れる訳ではないので、レジスタ2−1〜2−7から読み
出される7ビット幅の乱数列は、ほぼ9次の線形最大周
期29 −1に近い周期を有すると考えることができる。
化する図1の疑似乱数発生回路から乱数列を読み出す読
み出し回路(例えば、暗号生成回路)は、通常、一定の
読み出しクロックで読み出し動作を行うのであるから、
この読み出し回路から見た乱数列の見かけ上の周期は、
LFSR1のビット数で決定される周期29 −1よりも
長くなる。
−1,3−2の出力値に基づきシフトクロックSCKが
次々と変化するため、生成される7ビット幅の乱数列か
ら疑似乱数発生回路の構成を解明しようと試みるものが
あったとしても、非常に困難である。加えて、シフトク
ロックSCKを選択するための冗長レジスタ3−1,3
−2の出力値を直接読み出すことはできないので、さら
に回路構成の解明を困難なものとしている。
路4の一方の入力にレジスタ2−2の出力を接続してい
るが、これに限るものではない。ただし、上記最大周期
が得られるような位置のレジスタ出力を排他的論理和回
路4の入力とすることが望ましい。
の形態を示す疑似乱数発生回路のブロック図、図4はこ
の疑似乱数発生回路の動作を説明するためのタイミング
チャート図であり、図1、図2と同一の構成には同一の
符号を付してある。図4(a)はリセット信号RST、
図4(b)は内部クロックCLKa〜CLKdよりも高
速なクロックCLKe、図4(c)〜図4(f)は内部
クロックCLKa〜CLKd、図2(g)はMPX5の
出力MC、図4(h)は論理積回路6から出力されたシ
フトクロックSCK、図4(i)は冗長レジスタ3−
1,3−2の出力値d1,d2を示している。
のMPX5の後に、内部クロックCLKa〜CLKdよ
りも高速なクロックCLKeとMPX5の出力MCとの
論理積をとり、この結果をシフトクロックSCKとして
出力する論理積回路6を設けたものである。クロックC
LKeは、内部クロックCLKa,CLKb,CLK
c,CLKdに比して十分速い周波数(最低でも3〜4
倍)であるとする。なお、クロックCLKeは、内部ク
ロックCLKa〜CLKdと同期していなくてもよい。
非同期の場合には、シフトクロックSCKの不規則性が
より高まることになり、結果として乱数列の不規則性を
より高めることができる。
−1,3−2、排他的論理和回路4、MPX5の動作
は、実施の形態の1と同様であるが、MPX5によって
選択された内部クロックは、直接LFSR1のシフトク
ロックとはならず、論理積回路6で高速クロックCLK
eと論理積をとられた後、シフトクロックSCKとなる
(図4(h))。すなわち、MPX5が選択した内部ク
ロックCLKa〜CLKdの何れか1つが「1」の間、
クロックCLKeによるLFSR1のシフト動作が行わ
れる。
からとることにより、単位時間あたりのLFSR1のシ
フト回数は増すことになり、これは、周期的に乱数列を
読み出す動作に対して同じ値が読み出される確率が高ま
ることになるので、相対的により乱数性が高まっている
といえる。
数、冗長レジスタのビット数およびその位置、クロック
の種類は、必要とする乱数列のビット数、許容される回
路規模、疑似乱数の周期性の長さなどに基づいて任意に
設定可能であり、ここにあげた2つの実施の形態に限定
されるものではない。例えば、冗長レジスタのビット数
は1ビット以上であればよく、冗長レジスタを設ける位
置もLFSR内であればどこに設けてもよい。また、同
一のシフトクロックで動作する第1、第2のLFSRの
2つのLFSRを設けて、第1のLFSRで乱数列を生
成し、第2のLFSR内の冗長レジスタの出力でMPX
を切替制御するようにしてもよい。
に、リニアフィードバックシフトレジスタ中に冗長レジ
スタを設け、選択回路が冗長レジスタの出力値に応じて
複数の内部クロックから1つを選択してシフトクロック
として出力することにより、任意のビット数のリニアフ
ィードバックシフトレジスタで得られる最大の乱数列
(M系列)を時系列的に乱すことができ、乱数列の見か
け上の周期がレジスタ及び冗長レジスタのビット数で決
定される周期よりも長くなる疑似乱数発生回路を得るこ
とができる。さらに、直接読み出すことができない冗長
レジスタの出力値によりクロック選択を行い、シフトク
ロックを次々と変化させるので、小規模な回路の追加
で、疑似乱数発生回路の構成又は乱数列の周期の解明を
困難なものとすることができる。その結果、少ないビッ
ト数のリニアフィードバックシフトレジスタで高い乱数
性が得られ、かつ生成された乱数列から回路構成を解析
することのできない疑似乱数発生回路を実現することが
できる。
ィードバックシフトレジスタ中に冗長レジスタを設け、
選択回路が冗長レジスタの出力値に応じて複数の内部ク
ロックから1つを選択し、論理積回路が内部クロックよ
りも高速なクロックと選択回路の出力との論理積をとる
ことにより、任意のビット数のリニアフィードバックシ
フトレジスタで得られる最大の乱数列(M系列)を時系
列的に乱すことができ、乱数列の見かけ上の周期がレジ
スタ及び冗長レジスタのビット数で決定される周期より
も長くなる疑似乱数発生回路を得ることができる。さら
に、直接読み出すことができない冗長レジスタの出力値
によりクロック選択を行い、シフトクロックを次々と変
化させるので、小規模な回路の追加で、疑似乱数発生回
路の構成又は乱数列の周期の解明を困難なものとするこ
とができる。その結果、少ないビット数のリニアフィー
ドバックシフトレジスタで高い乱数性が得られ、かつ生
成された乱数列から回路構成を解析することのできない
疑似乱数発生回路を実現することができる。
ニアフィードバックシフトレジスタと第2のリニアフィ
ードバックシフトレジスタを設けることにより、任意の
ビット数の第1のリニアフィードバックシフトレジスタ
で得られる最大の乱数列(M系列)を時系列的に乱すこ
とができ、乱数列の見かけ上の周期が第1のリニアフィ
ードバックシフトレジスタのビット数で決定される周期
よりも長くなる疑似乱数発生回路を得ることができる。
さらに、直接読み出すことができない冗長レジスタの出
力値によりクロック選択を行い、シフトクロックを次々
と変化させるので、小規模な回路の追加で、疑似乱数発
生回路の構成又は乱数列の周期の解明を困難なものとす
ることができる。その結果、少ないビット数のリニアフ
ィードバックシフトレジスタで高い乱数性が得られ、か
つ生成された乱数列から回路構成を解析することのでき
ない疑似乱数発生回路を実現することができる。
生回路のブロック図である。
めのタイミングチャート図である。
回路のブロック図である。
めのタイミングチャート図である。
る。
る。
る。
−2…冗長レジスタ、4…排他的論理和回路、5…MP
X、6…論理積回路。
Claims (3)
- 【請求項1】 直列に接続された複数のレジスタの所定
の出力が排他的論理和回路を介して先頭のレジスタにフ
ィードバックされるリニアフィードバックシフトレジス
タを用いた疑似乱数発生回路において、 生成する乱数のビット幅分のレジスタと少なくとも1ビ
ットの冗長レジスタから前記複数のレジスタが構成さ
れ、シフトクロックに応じてシフト動作を行うリニアフ
ィードバックシフトレジスタと、 冗長レジスタの出力値に応じて複数の内部クロックから
1つを選択し、これを前記シフトクロックとして出力す
る選択回路とを有することを特徴とする疑似乱数発生回
路。 - 【請求項2】 直列に接続された複数のレジスタの所定
の出力が排他的論理和回路を介して先頭のレジスタにフ
ィードバックされるリニアフィードバックシフトレジス
タを用いた疑似乱数発生回路において、 生成する乱数のビット幅分のレジスタと少なくとも1ビ
ットの冗長レジスタから前記複数のレジスタが構成さ
れ、シフトクロックに応じてシフト動作を行うリニアフ
ィードバックシフトレジスタと、 冗長レジスタの出力値に応じて複数の内部クロックから
1つを選択する選択回路と、 前記内部クロックよりも高速なクロックと選択回路の出
力との論理積をとり、この結果を前記シフトクロックと
して出力する論理積回路とを有することを特徴とする疑
似乱数発生回路。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の疑似乱数発生回路
において、 前記リニアフィードバックシフトレジスタの代わりに、
生成する乱数のビット幅分のレジスタから前記複数のレ
ジスタが構成され、シフトクロックに応じてシフト動作
を行う第1のリニアフィードバックシフトレジスタと、 複数のレジスタ中に少なくとも1ビットの冗長レジスタ
を含み、シフトクロックに応じてシフト動作を行う第2
のリニアフィードバックシフトレジスタとを有すること
を特徴とする疑似乱数発生回路。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9005335A JP2937919B2 (ja) | 1997-01-16 | 1997-01-16 | 疑似乱数発生回路 |
US08/975,186 US6263082B1 (en) | 1997-01-16 | 1997-11-20 | Pseudorandom number generation circuit and data communication system employing the same |
DE69722367T DE69722367T2 (de) | 1997-01-16 | 1997-12-18 | Pseudozufallsgenerator mit Taktauswahl |
EP97122436A EP0855642B1 (en) | 1997-01-16 | 1997-12-18 | Pseudorandom number generation circuit with clock selection |
KR1019970076810A KR100297154B1 (ko) | 1997-01-16 | 1997-12-29 | 의사난수발생회로및이를채용한데이터통신시스템 |
CNB971261016A CN1149782C (zh) | 1997-01-16 | 1997-12-30 | 伪随机数产生电路及其在数据通信系统的应用 |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH10207695A JPH10207695A (ja) | 1998-08-07 |
JP2937919B2 true JP2937919B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=11608373
Family Applications (1)
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