隨機(jī)數(shù)(random number)是密碼學(xué)的鑰匙(也是關(guān)鍵)，它們會是加密系統(tǒng)的弱點(diǎn)，因此也常變成受攻擊的目標(biāo)；因此我總是嘗試讓我的腦袋繞著有關(guān)隨機(jī)性的主題轉(zhuǎn)。

 

我一直認(rèn)為二極管接面(diode junction)的熱噪聲(thermal noise)是隨機(jī)性的，但是現(xiàn)在，它似乎并不是那么隨機(jī)。密碼學(xué)家們總是在思考壞人可能會發(fā)動的攻擊手法，然后要想出對抗的招數(shù)；他們做的是好事，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人(包括我自己)在進(jìn)行在線金融活動或購物時，都得仰賴安全性通訊。

 

有許多密碼學(xué)菁英任職于美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所 (National Institute of Standards and Technology，NIST)；該組織公布了一套規(guī)格，有關(guān)于如何建立隨機(jī)比特流，以應(yīng)用于加密──其SP800-90A規(guī)格所提供的解決方案，是以一種決定性隨機(jī)位產(chǎn)生器(Deterministic Random Bit Generator ，DRBG)將比特流加密。

 

這種隨機(jī)數(shù)生成器(Random Number Generator，RNG)對我來說是有意義的，接下來我將先簡短介紹DRBG的原理，然后談?wù)勅绾螌⑦@種RNG嵌入FPGA中；現(xiàn)在我需要先厘清一些會用到的專門術(shù)語，然后解釋其運(yùn)作過程。

 

任何一套加密系統(tǒng)會需要一組密鑰以及一組輸入的數(shù)據(jù)流，從這里事情開始變得比較復(fù)雜。用以編排密碼的、“或多或少隨機(jī)”的比特流，被稱做是Entropy (熵)輸入；為了確保每次RNG的產(chǎn)出是不同的，Entropy要結(jié)合叫做Nonce (隨機(jī)數(shù))的輸入；Nonce在通過DRBG的每一個周期，必須要改變或是增加。這是有道理的，因?yàn)槟阈枰蓝乱粋€可能會多次收集數(shù)據(jù)、嘗試預(yù)測下一個輸出比特流內(nèi)容的攻擊者。

 

但是為了防止Entropy本身被泄漏，還有一個選項(xiàng)是采用第三個變量──個人化字符串 (Personalization String)；這里的巧妙之處在于，如果這個輸入是源自于一組編號，就可以確保顯然正在監(jiān)視相同機(jī)器的攻擊者難以有進(jìn)展。SP800-90A規(guī)格還包含 另一個選擇性的額外輸入(Additional Input)，其概念是它可以源自于第二個(獨(dú)立的) Entropy來源、也就是“腰帶又加上吊帶”的雙重保障。

 

到這里我的頭開始痛了…然后我讀到有關(guān)于Health Check的部分；Health Check一開始是做為例行檢查、確認(rèn)一切安好，或者是在使用者懷疑攻擊者可能竄改RNG時進(jìn)行。這個區(qū)塊惠隔離所有DRBG的外部輸入，然后饋入一組預(yù)設(shè)的刺激；輸出的結(jié)果是針對一組已知答案的驗(yàn)證，如果因?yàn)槿魏卧蚴?，Health Check就會釋出錯誤消息、鎖住RNG ，避免輸出任何被破 解的比特流。

 

要將RNG嵌入幾乎任何一種FPGA都很容易，設(shè)計(jì)工程師只需要采用RNG IP核心以及簡單的環(huán)形振蕩器與計(jì)數(shù)器做為Entropy的來源；這種常見規(guī)則適用于打造加密系統(tǒng)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師必須確保FPGA內(nèi)部的敏感數(shù)據(jù)，不能從組件的任何一個接腳被存取。

 

模擬、驗(yàn)證被隨機(jī)設(shè)計(jì)的電路可能聽起來很難，但因?yàn)槭峭耆_定性的，RNG核心有一套完整的驗(yàn)證測試基準(zhǔn)；如果最后的加密系統(tǒng)需要聽過外部測試機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)， 該測試基準(zhǔn)也同樣重要。我只能想象要測試比特流隨機(jī)特性會遇到的問題。FPGA的實(shí)作過程應(yīng)該是全數(shù)字化的，所以應(yīng)該很強(qiáng)韌、不會受到嘗試以改變電壓或溫度的攻擊者之竄改；自振蕩頻率有可能會變化，但那不應(yīng)該影響輸出比特流的隨機(jī)性質(zhì)量。

 

采用IP核心做為嵌入式AES加密引擎的一個好處是，該種電路區(qū)塊能在許多應(yīng)用中同時支持其他工作，為數(shù)據(jù)流提供多重加密解密，節(jié)省FPGA內(nèi)部空間。當(dāng)它需要透過不安全的連結(jié)傳送加密密鑰，另一個選項(xiàng)是在密鑰包裝中采用AES加密引擎。

 

質(zhì)量不良的隨機(jī)隨機(jī)數(shù)不會成為加密系統(tǒng)的弱點(diǎn)，只要采用標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，將可幫助設(shè)計(jì)工程師們一夜好眠。