真隨機數發(fā)生器在信息安全系統(tǒng)中的應用

摘要：信息安全系統(tǒng)的安全核心是內置的隨機數發(fā)生器。本文分析了常用的兩類隨機數發(fā)生器，指出了并非硬件隨機數即為真隨機數，提出了硬件真隨機數發(fā)生器的實現原理和評測準則。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/27473 5.htm

關鍵詞：隨機數序列；信息安全；質量檢測DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.5.003

隨機數是以現代密碼學為基礎的信息安全系統(tǒng)的基石。在現代信息安全系統(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數序列的生成效率和質量。

圖1示例是一個隨機數發(fā)生器在安全控制器內部的典型應用，隨機數被用來產生動態(tài)密鑰對數據總線和外設寄存器進行動態(tài)加密，使得在CPU和外設間實現數據加密傳輸，整個過程沒有明文存在。

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

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

隨機數序列的產生方法不外乎兩種：偽隨機數和真隨機數。

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

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

對于偽隨機數發(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“隨機性”可言了。從理論上講，任何算法所產生的偽隨機序列都是可以被預測的，即具有較高概率的數字序列重現性，這就為信息安全系統(tǒng)帶來了重大隱患。因而，這類偽隨機數只能用在對安全性要求不高的場合。

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

圖3是一個被廣泛采用的硬件隨機數發(fā)生器原理，這種基于直接放大器結構的隨機數發(fā)生器，雖然屬于硬件發(fā)生器，也能產生出比基于數學運算原理的發(fā)生器更高質量的隨機數序列，但由于其本身結構原理，雖易于實現，但其極易被外部信號干擾，導致其隨機數序列的熵值波動性很大。這種硬件隨機數并不能被稱為真正意義上的真隨機數。

這就存在一個隨機數質量檢測的問題。在所有隨機序列質量檢測方法以美國國家技術標準局NIST發(fā)布的關于密碼系統(tǒng)的信息安全標準FIPS 140-2和德國聯(lián)邦資訊安全辦公室BSI發(fā)布的AIS-31測試標準最為著名。這些標準中指定了多種測試方式對隨機數序列的質量指標進行測試，以取代常規(guī)的隨機性統(tǒng)計檢驗。與同類標準相比，FIPS140-2和AIS-31的合格標準更加嚴格。

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數發(fā)生器（如圖3），利用專利科技噪音源產生出極大帶寬的數碼流，硬件后處理器可增加熵值，符合AIS-31標準的質量檢驗控制，可以保證從此隨機數發(fā)生器出來的隨機數序列已能滿足和通過符合AIS-31 P2類別的真隨機數質量測試。

該發(fā)生器能達到每字節(jié)30微秒的真硬件隨機數發(fā)生速率，使得英飛凌的智能卡安全控制器能夠實現極高的加密運算性能，而且，該發(fā)生器還具有很好的魯棒性，其產生的隨機序列在不同的溫度、電壓、頻率等外部條件波動時也具有極高的不可預測性和不可重復性，并且已通過FIPS140-2和AIS-31安全測試認證，適用于高安全性要求的各種應用。

并且，有了這一高質量的安全控制器的核心保障，英飛凌的安全控制器現已通過了由德國聯(lián)邦信息安全辦公室（BSI）主持的歷時數月的周密評估與測試，成功通過全球最嚴格的智能卡應用安全測試CC EAL6+。CCEAL6+測試以智能卡集成電路平臺保護規(guī)定（BSI-PP-0035）為基礎。英飛凌使用新的PP00035來獲得認證。

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