真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在信息安全系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：信息安全系統(tǒng)的安全核心是內(nèi)置的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。本文分析了常用的兩類隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，指出了并非硬件隨機(jī)數(shù)即為真隨機(jī)數(shù)，提出了硬件真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的實現(xiàn)原理和評測準(zhǔn)則。

　　隨機(jī)數(shù)是以現(xiàn)代密碼學(xué)為基礎(chǔ)的信息安全系統(tǒng)的基石。在現(xiàn)代信息安全系統(tǒng)中，密碼體制和算法本身可以被公開，訪問策略可以公布，密碼設(shè)備可能丟失，而系統(tǒng)的安全性要求不受影響。整個系統(tǒng)的安全性完全依賴于隨機(jī)數(shù)序列的生成效率和質(zhì)量。

　　圖1示例是一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在安全控制器內(nèi)部的典型應(yīng)用，隨機(jī)數(shù)被用來產(chǎn)生動態(tài)密鑰對數(shù)據(jù)總線和外設(shè)寄存器進(jìn)行動態(tài)加密，使得在CPU和外設(shè)間實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密傳輸，整個過程沒有明文存在。

　　因此，高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)在信息安全系統(tǒng)中的作用舉足輕重，如果隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性不夠安全，整個系統(tǒng)極有可能被攻擊者攻破。

　　信息安全系統(tǒng)中的隨機(jī)數(shù)序列要求具有足夠的長度和周期，以及盡可能高的熵值，即具有高度的隨機(jī)性和不可預(yù)測性。

　　隨機(jī)數(shù)序列的產(chǎn)生方法不外乎兩種：偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)。

　　作為常識，每個程序員在做入門學(xué)習(xí)時，都會被老師諄諄教導(dǎo)：我們用的編程語言中的隨機(jī)函數(shù)，只能產(chǎn)生出偽隨機(jī)數(shù)。它有其自身的內(nèi)在規(guī)律，只能作為對外部世界的隨機(jī)事件的近似模擬。目前最常見的偽隨機(jī)數(shù)序列產(chǎn)生方法，是基于某一事先確定的序列生成算法(主流偽隨機(jī)數(shù)生成算法大都是乘/加同余法及其變體，就是利用整數(shù)加法和乘法之間關(guān)系的高度不協(xié)調(diào))，依賴一個由選定的隨機(jī)數(shù)“種子”來產(chǎn)生隨機(jī)序列。這樣生成的偽隨機(jī)數(shù)，在一般的應(yīng)用中(主要是模擬計算)，已經(jīng)足夠了。

　　圖2是一個被業(yè)界廣泛使用的典型偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，顯然，整個多項式產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列依賴于“種子”的輸入，并且，隨機(jī)序列的周期性也是直接依賴于多項式的階數(shù)。目前，比較好的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的序列重復(fù)周期已能達(dá)到2的160次方，在中低安全型需求的應(yīng)用場合已經(jīng)完全夠用。

　　對于偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，如果已知“種子”和算法(例如圖2所示的多項式公式)，實際上，也就無“隨機(jī)性”可言了。從理論上講，任何算法所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列都是可以被預(yù)測的，即具有較高概率的數(shù)字序列重現(xiàn)性，這就為信息安全系統(tǒng)帶來了重大隱患。因而，這類偽隨機(jī)數(shù)只能用在對安全性要求不高的場合。

　　真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生，則要借助于工程設(shè)計良好的數(shù)字物理亂源，即利用一些物理過程的隨機(jī)性質(zhì)。但并不是物理過程(硬件)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)就是真隨機(jī)數(shù)，其中一些物理過程是否真正隨機(jī)也很難說，更有些系統(tǒng)僅僅采用硬件固定邏輯來加速偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生。

　　圖3是一個被廣泛采用的硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器原理，這種基于直接放大器結(jié)構(gòu)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，雖然屬于硬件發(fā)生器，也能產(chǎn)生出比基于數(shù)學(xué)運(yùn)算原理的發(fā)生器更高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)序列，但由于其本身結(jié)構(gòu)原理，雖易于實現(xiàn)，但其極易被外部信號干擾，導(dǎo)致其隨機(jī)數(shù)序列的熵值波動性很大。這種硬件隨機(jī)數(shù)并不能被稱為真正意義上的真隨機(jī)數(shù)。

　　這就存在一個隨機(jī)數(shù)質(zhì)量檢測的問題。在所有隨機(jī)序列質(zhì)量檢測方法以美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局NIST發(fā)布的關(guān)于密碼系統(tǒng)的信息安全標(biāo)準(zhǔn)FIPS 140-2和德國聯(lián)邦資訊安全辦公室BSI發(fā)布的AIS-31測試標(biāo)準(zhǔn)最為著名。這些標(biāo)準(zhǔn)中指定了多種測試方式對隨機(jī)數(shù)序列的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測試，以取代常規(guī)的隨機(jī)性統(tǒng)計檢驗。與同類標(biāo)準(zhǔn)相比，F(xiàn)IPS140-2和AIS-31的合格標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。

　　英飛凌的智能卡安全控制器，采用最新專利科技集成了硬件高速真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(如圖3)，利用專利科技噪音源產(chǎn)生出極大帶寬的數(shù)碼流，硬件后處理器可增加熵值，符合AIS-31標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量檢驗控制，可以保證從此隨機(jī)數(shù)發(fā)生器出來的隨機(jī)數(shù)序列已能滿足和通過符合AIS-31 P2類別的真隨機(jī)數(shù)質(zhì)量測試。

　　該發(fā)生器能達(dá)到每字節(jié)30微秒的真硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生速率，使得英飛凌的智能卡安全控制器能夠?qū)崿F(xiàn)極高的加密運(yùn)算性能，而且，該發(fā)生器還具有很好的魯棒性，其產(chǎn)生的隨機(jī)序列在不同的溫度、電壓、頻率等外部條件波動時也具有極高的不可預(yù)測性和不可重復(fù)性，并且已通過FIPS140-2和AIS-31安全測試認(rèn)證，適用于高安全性要求的各種應(yīng)用。

　　并且，有了這一高質(zhì)量的安全控制器的核心保障，英飛凌的安全控制器現(xiàn)已通過了由德國聯(lián)邦信息安全辦公室(BSI)主持的歷時數(shù)月的周密評估與測試，成功通過全球最嚴(yán)格的智能卡應(yīng)用安全測試CC EAL6+。CC EAL6+測試以智能卡集成電路平臺保護(hù)規(guī)定(BSI-PP-0035)為基礎(chǔ)。英飛凌使用新的 PP00035 來獲得認(rèn)證。

　　英飛凌將一直持續(xù)這種戰(zhàn)略，將最新科技應(yīng)用于其安全控制器解決方案中，為其安全芯片取得公認(rèn)的安全認(rèn)證，也為幫助客戶構(gòu)建健壯的高安全信息系統(tǒng)提供有力的技術(shù)基礎(chǔ)和支持。

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　　[4]https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Zertifizierung/Interpretationen/AIS_20_AIS_31_Evaluation_of_random_number_generators_e.html

　　[5]https://www.bsi.bund.de/EN/Topics/Certification/certification_node.html