用于真隨機(jī)數(shù)生成器的自動控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及隨機(jī)數(shù)生成器，并且更具體地涉及隨機(jī)數(shù)的生成，其適用于例如在電子系統(tǒng)中實施的加密處理和其他協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002]隨機(jī)數(shù)生成器(random number generator, RNG)嘗試生成值序列，這些值在數(shù)學(xué)上定義為隨機(jī)的。存在兩種形式的隨機(jī)數(shù)生成器。通常使用的隨機(jī)數(shù)生成器生成表面隨機(jī)值序列，該序列實際上是確定的。這種隨機(jī)數(shù)生成器被稱為偽隨機(jī)數(shù)生成器(pseudorandom number generator, PRNG)。偽隨機(jī)數(shù)生成器依賴于第一值、種子值，從而基于第一值和種子值確定看起來隨機(jī)并具有隨機(jī)特征的序列。因為該過程本質(zhì)上是數(shù)學(xué)過程，其相對較快并可以非常有效和可預(yù)見地在硬件中被實施。遺憾的是，偽隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生影響它們的有用性的可預(yù)測結(jié)果。
[0003]以數(shù)字邏輯硬件實現(xiàn)的加密品質(zhì)隨機(jī)數(shù)生成器(RNG)通常針對它們的控制使用一組寄存器以及使用與系統(tǒng)的接口。加密系統(tǒng)中使用的數(shù)字的實際大小趨向于較大:16字節(jié)或32字節(jié)?，F(xiàn)今使用的普通計算機(jī)處理器控制和數(shù)據(jù)路徑的大小通常為1字節(jié)、2字節(jié)、4字節(jié)或8字節(jié)。因此，需要頻繁地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以使RNG寄存器的大小適應(yīng)控制處理器的實際大小。這經(jīng)常會使用更多的寄存器空間。雖然寬總線善于快速地移動數(shù)據(jù)，但是它們在集成電路芯片或電路板上占據(jù)很大的面積。
[0004]此外，盡管偽隨機(jī)數(shù)生成器(PRNG)的設(shè)計是確定的并容易針對算法進(jìn)行驗證，但是真隨機(jī)數(shù)生成器(true random number generator,TRNG)不會這么容易被驗證。如果發(fā)現(xiàn)TRNG不足，則整個電路或系統(tǒng)經(jīng)常都會喪失其功用。這在需要許多隨機(jī)數(shù)生成器的較大系統(tǒng)中意義重大。在這些系統(tǒng)中，每個PRNG在其關(guān)聯(lián)電路附近容易被實施和被驗證。但是，如果需要TRNG，則這會造成如果一個TRNG受損，則整個系統(tǒng)可能無法使用的缺點(diǎn)。即便如此，如果提供足夠多的備用TRNG，則容納接線以移動寬數(shù)據(jù)總線所需的面積就成為更關(guān)注的問題。
[0005]真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)是用于生成不確定數(shù)列的電路。為實現(xiàn)該目的，TRNG電路從物理噪聲源獲得其隨機(jī)數(shù)據(jù)。遺憾的是，物理噪聲源存在許多缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)包括當(dāng)物理噪聲源位于電路外部時的穩(wěn)態(tài)問題、在采樣事件之間劃分間隔以確保隨機(jī)特征以及制造偏差。例如，如果電阻器的溫度被用作噪聲源，則將電路放在非常熱或非常冷的環(huán)境中可能產(chǎn)生趨向于一個值或另一個值的值序列。同樣，如果依賴于電阻器的溫度，則值讀取之間必須留有時間，否則這些值將會彼此相關(guān)，這是因為熱噪聲信號不會有充足的時間以隨機(jī)方式變化。這要?dú)w咎于這樣的事實:在本質(zhì)上，物理噪聲過程的頻譜通常是頻帶有限的或者固有地是低通的。同樣類似地，如果在制造期間微小的變化導(dǎo)致電阻器總是稍熱或稍冷，則值序列可能趨向于已知結(jié)果。難題在于，這些問題有時直到電路被制造出來之后才會出現(xiàn)。
[0006]加密系統(tǒng)中使用的隨機(jī)數(shù)生成器(RNG)通常包括從不確定隨機(jī)數(shù)生成器開始的一系列的RNG，該不確定隨機(jī)數(shù)生成器也稱為真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)，其從物理噪聲源獲得它的隨機(jī)數(shù)據(jù)。然后，被稱為種子的該數(shù)據(jù)被用作確定隨機(jī)數(shù)生成器的輸入數(shù)據(jù)，該確定隨機(jī)數(shù)生成器的形式為偽隨機(jī)數(shù)生成器(PRNG)，其為利用RNG組件的基于處理器的系統(tǒng)提供了更合適的接口。因此，根據(jù)TRNG過程確定種子值，該TRNG過程通常是緩慢的。然后，具有快速且可預(yù)測性能特征的PRNG提供變化的值序列以在加密過程中使用。PRNG通常使用來自TRNG的種子一段時間，或者PRNG通常產(chǎn)生輸出值隨機(jī)序列中一定數(shù)量的輸出值。一旦有新的種子可用，利用來自TRNG的新輸入值對PRNG重播種。再一次地，PRNG的性能和可預(yù)測性是可用的。
[0007]TRNG在被控制程序命令如此做時產(chǎn)生結(jié)果。TRNG的物理輸入數(shù)據(jù)的統(tǒng)計屬性和種子值的長度使產(chǎn)生新種子值所需的時間冗長且多變。
[0008]提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)的部分缺點(diǎn)的TRNG是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)一個實施方式，提供了一種用于對偽隨機(jī)數(shù)生成器重播種以生成偽隨機(jī)數(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括生成真隨機(jī)數(shù)的真隨機(jī)數(shù)生成器，存儲生成的真隨機(jī)數(shù)的存儲設(shè)備，使用存儲的真隨機(jī)數(shù)作為種子來生成偽隨機(jī)數(shù)的偽隨機(jī)數(shù)生成器，以及控制器，該控制器耦合至真隨機(jī)數(shù)生成器和偽隨機(jī)數(shù)生成器，用以(1)在偽隨機(jī)數(shù)生成器運(yùn)行的同時生成新的真隨機(jī)數(shù)，并存儲該新的真隨機(jī)數(shù)以及(2)利用該新的真隨機(jī)數(shù)對偽隨機(jī)數(shù)生成器重播種。
[0010]另一個實施方式提供了一種對用于生成偽隨機(jī)數(shù)的偽隨機(jī)數(shù)生成器重播種的方法。該方法由真隨機(jī)數(shù)生成器生成真隨機(jī)數(shù)，存儲生成的真隨機(jī)數(shù)，由偽隨機(jī)數(shù)生成器使用存儲的真隨機(jī)數(shù)作為種子來生成偽隨機(jī)數(shù)，在偽隨機(jī)數(shù)生成器運(yùn)行的同時生成新的真隨機(jī)數(shù)，存儲該新的真隨機(jī)數(shù)，并利用該新的真隨機(jī)數(shù)對偽隨機(jī)數(shù)生成器重播種。
[0011]在特定的實現(xiàn)中，響應(yīng)于預(yù)選條件而將生成的真隨機(jī)數(shù)存儲到偽隨機(jī)數(shù)生成器中的輸入寄存器中?？梢皂憫?yīng)于預(yù)選條件，例如響應(yīng)于預(yù)定重播種超時或者響應(yīng)于對生成的預(yù)定數(shù)量的偽隨機(jī)數(shù)的計數(shù)，或者響應(yīng)于手動操作，而實現(xiàn)重播種。每當(dāng)存儲的真隨機(jī)數(shù)被偽隨機(jī)數(shù)生成器用作種子時可以自動生成新的真隨機(jī)數(shù)。通過偽隨機(jī)數(shù)生成器進(jìn)行的偽隨機(jī)數(shù)的生成可以被自動中斷用以重播種。
【附圖說明】
[0012]現(xiàn)在結(jié)合下面的附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進(jìn)行描述，其中:
[0013]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中生成偽隨機(jī)數(shù)的方法的簡化流程圖。
[0014]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的系統(tǒng)的簡化框圖。
[0015]圖3是基于預(yù)定重播種超時而自動對PRNG重播種的方法的簡化流程圖。
[0016]圖4是基于生成預(yù)定數(shù)量的值而自動對PRNG重播種的方法的簡化流程圖。
[0017]圖5是以隨機(jī)數(shù)模式(nonce-mode)操作自動對PRNG重播種的簡化流程圖。
[0018]圖6示出了列出來自根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的RNG的線路輸出的表格。
[0019]圖7示出了列出來自根據(jù)實施方式的RNG的線路輸出的表格。
[0020]圖8示出了圖7中所列的線路輸出的電路時序圖。
[0021 ]圖9示出了電路的簡化框圖，其中多個電路功能塊中的每一者從來自相同的RNG的隨機(jī)值序列內(nèi)提取隨機(jī)值。
[0022]圖10是示出具有多個TRNG的電路的簡化框圖。
【具體實施方式】
[0023]提出下面的描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本發(fā)明，并且下面的描述是在特定應(yīng)用和其要求的背景下提供的。公開的實施方式的各種修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，在不超出本發(fā)明的范圍的情況下，本文所定義的一般原理可以用于其他實施方式和應(yīng)用。因此，本發(fā)明不意圖受限于公開的實施方式，而是與符合本文所公開的原理和特征的最寬范圍一致。
[0024]參照圖1，其示出了用于操作根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的加密系統(tǒng)的RNG的簡化過程。在步驟101中，在TRNG中生成隨機(jī)值序列內(nèi)的值，在步驟102中，將該值作為種子值而提供給PRNGo在步驟103中，PRNG基于種子值生成位于偽隨機(jī)序列內(nèi)并具有隨機(jī)特征的值序列。在已知時間或已知數(shù)量的操作之后，控制系統(tǒng)(通常是軟件)向TRNG請求新的種子、在TRNG中生成新的種子并將新的種子提供給PRNG。然后PRNG被啟動，以基于新的種子生成新的序列。根據(jù)設(shè)計要求重復(fù)相同的過程。