面向软件的随机数发生器设计和实现

为解决软件密码模块产品中随机数发生器的设计问题,特别是单一熵源的安全问题,提出一种通用的面向软件的随机数发生器方案。初始随机数采用系统熵池、本地随机数池和服务端采集的随机数3个熵源,其中系统熵池主要指当前操作系统下的环境噪音,本地随机池指加密保存的一次性真随机数,服务端采集的随机数由硬件随机数发生器产生。产生初始随机数的同时,软件密码模块完成对用户的身份认证,建立客户端和服务端之间的安全通道。给出安全通道分析和随机数质量分析。方案实现依赖操作系统和网络通信,适用于移动智能终端、嵌入式终端等多种设备。

一种基于熵源分离模型的可重构安全原语

在信息爆炸时代,信息的安全问题受到了广泛关注。在物联网设备的加密协议中,物理不可克隆函数(PUF)与真随机数发生器成为加密协议中基本的安全原语,提供了轻量级的解决方案。文章提出了一种熵源分离模型,能够分离环形振荡器中抖动(真随机数发生器的熵)和工艺偏差(PUF熵)引起的延时。基于该模型,在FPGA上设计了一种可重构的双工作模式电路,通过改变模式可分别生成PUF和真随机数。相较于FPGA上独立设计的PUF和真随机数发生器,该结构具有资源开销小、面积利用率高、功耗低等优势。实验结果表明,生成的PUF稳定性高、唯一性强、均匀性好;真随机数序列均通过了NIST测试,具有高随机性和不可预测性。

基于TRNG与PUF集成结构的安全加密认证系统

真随机数发生器(TRNG)与物理不可克隆函数(PUF)是安全加密认证系统的重要安全基元.然而传统TRNG通常需要额外的后处理电路.通过两个不同模块同时实现TRNG与PUF结构的电路,其面积消耗过大且结构复杂.为此,在优化TRNG的基础之上,利用FPGA实现了一种适用于物联网设备的TRNG与PUF轻量级集成设计.采用快速进位链逻辑实现了TRNG,同时使用固定的比较链和多重检测的方法对传统环形振荡器型物理不可克隆函数(RO-PUF)进行了改进.采用PYNQ-Z2开发板对所提出的结构进行验证,实验结果表明:所设计的TRNG结构无需后处理过程即可通过15项NIST SP 800-22统计测试,每比特随机数的熵值为0.999997,吞吐率可达125Mbps.改进的PUF具有良好的均匀性、稳定性和接近理想的唯一性,分别为47.45%,99.48%和50.12%.

基于PUF的Logistic混沌序列发生器

由于Logistic非线性混沌系统在一定的参数下,具有初值敏感性和拓扑复杂性等特点,因此Logistic混沌系统可以作为随机序列信号发生器。同时由于集成电路在生产、制作的过程中,即使采用完全相同的设计方法和制造工艺,也会在器件上产生不可控的微小差异,这些微小差异便成为集成电路不可克隆的基础。基于此特点,提出了一种基于可编程逻辑阵列(FPGA)的双输出查找表(LUT)结构的物理不可克隆函数(PUF)的Logistic随机混沌序列信号发生器,该混沌序列发生器具有物理的唯一性,能够有效地抵抗对于系统的复制和攻击。将该系统在Xilinx公司的FPGA开发板上进行测试和验证,结果表明,同样的电路结构和配置文件在不同的FPGA开发板上能够产生不同的随机序列,提高了混沌序列的随机性。

高速保密通信的激光物理随机数发生器构建

为了提高高速保密通信系统激光物理随机数发生器构建能力,提出基于小波分析和随机测距码提取的高速保密通信系统激光物理随机数发生器构建方法。首先采用扩频编码检测方法对激光物理随机信号进行滤波检测,并进行特征分解和信号频率对准,然后采用随机数线性编码方法对信号进行重组,提取载频特征量,并对载频特征量进行自动匹配,从而实现激光物理随机数发生器构建,最后仿真结果表明,构建的激光物理随机数发生器特征分辨能力好,特征配准能力强,提高了激光物理通信的质量。

基于物理噪声源的真随机数发生器的设计与实现

随机数在信息安全及密码学领域有着重要作用。利用确定性的数学算法可产生伪随机数,然而其具有可被预测性,难以确保信息安全。研究发现从自然界存在的物理熵源中提取的随机数具有统计无偏和不可被预测性。基于该思想,设计了一种基于物理热噪声与单片机技术的真随机数发生器,可产生0 Mb/s^2 Mb/s速率可调的真随机数序列;相关性分析及ENT测试结果表明所产生的随机序列具备良好的随机统计特性。该装置可便捷地应用于数据加密、保密通信、密钥产生等领域。

基于自治布尔网络的高速物理随机数发生器研究

利用确定性的数学算法可产生快速伪随机数,然而其具有可预测性,难以确保信息安全。从混沌物理熵源中提取的物理随机数具有统计无偏和不可预测性,但是受限于传统混沌电路的带宽瓶颈,随机数的实时产生速率无法有效提高,为此,设计实现一种基于自治布尔网络的宽带混沌振荡器。研究结果表明:利用该装置可产生速率达10 Gbit/s的物理随机数序列;所产生的物理随机数序列具有良好的随机统计特性;该装置可便捷地应用于数据加密、高速保密通信等领域。

基于布尔混沌的物理随机数发生器

提出了一种利用布尔混沌熵源产生物理随机数的方法。采用二输入逻辑门构建无自反馈自治布尔网络,并详细分析了该网络动力学特性。在此基础上,利用FPGA实现了15节点无自反馈自治布尔网络,产生出带宽约680 MHz,最小熵接近于1的布尔混沌信号。以该信号为熵源,结合熵提取电路完成了实时速率达100 Mbit/s的物理随机数产生。NISTSP800-22及DIEHARD随机数检测结果表明,利用布尔混沌熵源产生的物理随机序列可通过所有测试项,具有良好的随机统计特性。

基于布尔网络的低功耗物理随机数发生器

利用布尔网络设计一种低功耗物理随机数发生器,熵源部分为12个二输入逻辑门相互耦合及1个反向器构成的自治布尔网络,并从时域、频域及计算最大李雅普诺夫指数等方面分析其产生信号的混沌特性.经过对该混沌信号采样和量化,生成熵值为1 bit/sample、实时产生速率为100 Mbit/s的随机序列.整个物理随机数发生器在现场可编程逻辑阵列(field programmable gate array,FPGA)平台上实现,硬件逻辑资源消耗少.美国国家标准与技术研究院的随机数测试程序结果表明,产生的随机数具有良好的随机统计特性.该设计可应用于高速加密系统、保密通信等信息安全领域.

基于GaAs/AlGaAs超晶格受激混沌振荡的随机数发生器设计与实现

针对伪随机数在密码应用中存在的安全性问题,基于超晶格物理熵源的特性,分析受激混沌作为熵源的优势,首次提出了将超晶格受激混沌振荡作为真随机数发生器熵源,利用12位ADC实现超晶格受激混沌信号的数字化采样,FPGA作为后处理单元,设计并实现了一种真随机、高性能、高速度的超晶格随机数发生器,实时生成随机数的速率达300 Mbit/s,该超晶格随机数性能可通过美国国家标准局所提供的标准(NIST SP 800-22)要求测试,结果表明该超晶格随机数具有良好的随机性。

基于国密算法和PUF的企业用户身份认证系统

针对当前企业信息系统登录方法安全性和可扩展性的不足,设计一种基于国密算法和PUF(物理不可克隆函数)的企业用户身份认证系统。该系统借鉴FIDO U2F(线上快速第二因子身份认证)认证框架,以身份识别令牌作为认证第二因子,使用国产加密算法实现安全性的自主可控,同时在身份令牌中集成了PUF和真随机数发生器,以达到提升安全性和可扩展性的目的。安全性分析表明,该系统的安全性显著高于现有技术实现。实验测试结果表明,该系统运行开销较低,稳定可靠,能够方便、快捷地部署在企业信息系统中。

物联网硬件安全研究

自从20世纪90年代末物联网普及以来,设备开始向小型化、智能化、分布化发展。安全问题随之爆发,开始引起专业人员及学者的广泛关注。庞大的终端数量和复杂的应用场景使硬件安全成为物联网安全的基石。首先梳理了未来设备系统的安全挑战,在此基础上提出安全系统的两大核心技术——真随机数发生器和物理非克隆函数,并对目前主流的架构加以讨论。最后探讨硬件安全的未来发展方向。

基于生成对抗网络的混沌激光同步优化

提出并验证了一种基于深度学习的混沌激光同步优化方案,在共同外腔半导体激光器驱动注入同步系统中,引入生成对抗网络对初始的混沌同步信号进行优化。所提方案的主要优点在于:实现了混沌信号的时延标签抑制和复杂度提升;显著改善了混沌信号幅值分布的对称性;大幅降低了驱动端和本地端的相关性,提升了同步系统的私密性。此外,将优化后的混沌信号应用于物理熵源,在高质量混沌同步的基础上,验证了速率高达4.1 Gbit/s、误码率低于10-3的高速同步物理随机数产生。