Generator ciągów losowych wykorzystujący stany metastabilne zaimplementowany w układzie FPGA firmy Xilinx

W wysokiej klasy systemach bezpieczeństwa informacji klucze kryptograficzne nie powinny być generowane na zewnątrz systemu, a klucze prywatne, w przeciwieństwie do publicznych, nigdy nie powinny opuścić systemu. Jeśli system bezpieczeństwa jest realizowany w jednym układzie scalonym, klucze powinny być generowane w tym samym układzie. Realizacja generatorów liczb losowych w cyfrowych układach reprogramowalnych jest więc istotnym zagadnieniem. W artykule przedstawiono nową metodę wytwarzania ciągów losowych, opartą o zjawisko metastabilności występujące w układach cyfrowych oraz uwagi na temat sensowności wykorzystania tego fizycznego efektu występującego we współczesnych, powszechnie dostępnych układach cyfrowych.

The security of cryptographic systems relates mainly to the protection of confidential keys. In high-end information security systems, cryptographic keys should never be generated outside the system and private keys should never leave the system. For the same reason, if the security system is implemented in a single chip (cryptographic system on chip), the keys should be generated inside the same chip. Implementation of random number generators in logic devices, including configurable logic devices, is therefore an important issue. In this paper, we present a new method of generating random digits based on a physical phenomenon occurring in digital circuits. Thus, the proposed generator can be implemented in different Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) with other elements of the cryptographic system. If the underlying physical process cannot be controlled, the generator output is unpredictable and/or uncontrollable. The statistical characteristics of TRNGs are closely related to the quality of the entropy source, but also to the randomness extraction method. The statistical quality of the generator was verified with the use of NIST statistical test suite. A discussion of the utility of metastable states for producing random numbers with metastable states in commercially available FPGAs is also presented.