用振蕩器采樣隨機數(shù)發(fā)生器保證網(wǎng)絡SoC設計加密算法

偏差糾正器

振蕩器采樣法的工作基于這樣一個事實，即高頻振蕩器一直保持50%的占空比，而低頻振蕩器每個周期都有明顯變化。如果情況不是這樣(盡管絕大部分情況下是這樣)，所獲得的位碼便會出現(xiàn)偏差，既可能是“1”，也可能是“0”，這稱為偏移。幸運的是我們可以采取有效的后處理方法來糾正偏差，以一種確定的方式產(chǎn)生分布更均勻的位流。其中兩種最簡單的技術分別稱為奇偶生成和轉換映射，此外還有一些較復雜的偏差糾正方法，包括使用快速傅利葉變換函數(shù)和更復雜的位混排技術，它們通常采用延遲元件和反饋通路組合來去除位與位之間的相關性。

偏差糾正的目標是對位流進行均衡分配，以便以相同的概率產(chǎn)生“1”和“0”，其做法基本上是從有偏差的位序列中提取出更隨機的數(shù)值。這種后處理功能并非振蕩器采樣技術所獨有，其應用對原始噪聲源沒有要求，要實現(xiàn)這種功能也并不復雜。一種簡單方法是奇偶生成，它具有魯棒性強的優(yōu)點，可用于更大范圍的偏差分布。用硬件來實現(xiàn)固定長度位采樣序列一般非常簡單，例如簡單的級聯(lián)XOR鏈便可有效用作一個奇偶生成器并完成適當?shù)钠罴m正(圖5)。

轉換映射也叫做馮·諾依曼糾正器，它將一對采樣輸入位轉換成一個輸出位，例如把輸入對[0，1]轉換成1，把[1，0]轉換成0，而在輸入為[0，0]或[1，1]時什么也不輸出。這種技術可以完全消除偏差，但其代價是必須在輸入位之間創(chuàng)建一個不定量的延遲，并產(chǎn)生一個輸出位長的任意數(shù)。

混合函數(shù)

即使采用了所有上述技術，仍然存在這樣一些擔憂，即由于存在多種非隨機數(shù)據(jù)源(如前面提及的多個振蕩器源組合)，系統(tǒng)固有的隨機性可能受到影響。采用功能強大的混合函數(shù)可以確保隨機源的隨機性，這些函數(shù)將兩個或更多采樣位進行組合，然后產(chǎn)生一個輸出位，該輸出位是先前各輸入位的復雜非線性函數(shù)。當然，這樣獲得的輸出隨機位數(shù)不可能多于輸入位數(shù)。對這個函數(shù)期望的功能是任何輸入位的改變都會引起大約一半輸出位的改變，這些混合函數(shù)也可作為更復雜的糾偏方法去除位流偏差，如同前面討論的那樣。

一般情況下，混合函數(shù)功能越強，它所占用的芯片面積也越大，前面提到的級聯(lián)XOR便是很簡單的一例。DES加密/解密算法則是更為復雜的例子，因為它需要120個輸入位，產(chǎn)生64個輸出位，每一個輸出位都依賴一個涉及所有輸入位的復雜非線性函數(shù)，其它加密/解密算法的工作方式也類似?；炫藕瘮?shù)也可用作強大的混合函數(shù)，它們使用任意長度的輸入位，并產(chǎn)生一定長度的信息摘要。同樣，設計工程師需要進行權衡，要在額外開銷與所生成的位流無法達到期望隨機度之間做選擇。

統(tǒng)計評估

美國商業(yè)部創(chuàng)建了多種用來評估加密應用中隨機數(shù)發(fā)生器隨機程度的標準，美國國家標準技術研究所(NIST)出版的“800-22特刊”推薦了一種全面的隨機數(shù)發(fā)生器統(tǒng)計測試方法，并嚴格規(guī)定了滿足各種程度隨機性的衡量標準。測試工程師可在驗證過程中使用這種測試方法或其它類似測試，檢驗設計是否具有非隨機特征，從而判斷是否達到了某種程度的隨機性。NIST統(tǒng)計測試套件中規(guī)定了16種不同類型的測試，以便能發(fā)現(xiàn)被測隨機數(shù)發(fā)生器的缺陷。

NIST FIPS 140-2是美國商業(yè)部頒發(fā)的另一份文件，它定義了設計者在安全應用中采用加密設備時必須遵守的一系列要求。其中一個最重要的要求是任何使用隨機數(shù)發(fā)生器的實時加密模塊必須提供加電能力并可對RNG功能進行持續(xù)的實時測試，確保它在工作過程中不出現(xiàn)故障，如果在規(guī)定的統(tǒng)計測試中出現(xiàn)任何失敗，RNG模塊都必須進入一種錯誤狀態(tài)。對于SoC設計來說，這意味著如果最終產(chǎn)品希望獲得美國政府安全標準許可的話，那么進行測試的測試器模塊必須集成在設備本身之中并滿足規(guī)定的要求。

某些產(chǎn)生非確定性噪聲源的技術也許并不適用，這取決于是使用標準單元設計還是使用客戶定制布局設計。的確可以保證一項設計達到期望的隨機度，但這種保證的代價是增加芯片尺寸以便實現(xiàn)冗余結構或更為復雜的后處理功能。即便是精心規(guī)劃的設計，最后階段也必須通過統(tǒng)計測試套件的驗證，只有這樣才能說設計達到了期望的隨機度。