А.В. АРХАНГЕЛЬСКАЯ О РАЗРАБОТКЕ ГЕНЕРАТОРА СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ, ОСНОВАННОГО НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ

УДК 004.056:378(06) Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы
А.В. АРХАНГЕЛЬСКАЯ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
О РАЗРАБОТКЕ ГЕНЕРАТОРА СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ,
ОСНОВАННОГО НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ
В работе проанализированы подходы к построению генераторов случайных
чисел, разработан макет генератора и получены его характеристики. Основным
результатом является обоснование возможности использования генератора, основанного на квантовых эффектах, в криптографических приложениях.
Известно, что случайные числа широко применяются в криптографии
и генераторы случайных чисел (ГСЧ) являются важнейшим криптографическим примитивом.
Очень часто именно в используемом ГСЧ кроется причина уязвимости
многих реальных систем криптографической защиты информации. Главные причины этого следующие: недостатки криптографического преобразования, обычно применяемого к выходу физического датчика, и плохие
статистические свойства физического датчика, которые хотя и улучшаются криптографическим преобразованием, но существенно повышают вероятность успешной реализации атаки угадывания.
Анализ современных аппаратных ГСЧ показал, что большинство из
них основано на шумах электрических цепей, а такое решение позволяет
достичь скоростей выработки случайных чисел порядка 100 Кбит/с. Однако в августе 2004 года швейцарская компания ID Quantique [1] выпустила
генератор, основанный на квантовых эффектах, скорость которого достигает 4 Мбит/с,. Но так как статистические свойства вырабатываемых чисел не свидетельствуют о стойкости генератора к криптографическим атакам, и анализ законченного изделия иностранного производителя весьма
сложен, представляется актуальной разработка отечественного высокоскоростного генератора случайных чисел.
В работе проанализированы основные подходы к созданию генераторов и выбрана схема, в основу которой положен подход, связанный с
накоплением энтропии, что обеспечивает регулярный перевод генератора
в «неугадываемое» состояние, и применением к получаемым выборкам
криптографического преобразования для повышения стойкости генераторов к криптографическому анализу [2].
Целью накопления энтропии является возможность восстановления
надежной генерации чисел в случае компрометации состояния ГСЧ. Подход, связанный с накоплением энтропии, позволяет создавать такие ГСЧ,
ISBN 5-7262-0557-Х. XII Всероссийская научно-практическая конференция
11
УДК 004.056:378(06) Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы
что если однажды состояние было заведомо неизвестно злоумышленнику,
то даже при условии предсказуемости всех остальных накапливаемых
случайных данных или вмешательства противника в их генерацию, ГСЧ
остается по-прежнему безопасным.
Часто в качестве криптографического преобразования используется
блочный шифр. Автором предлагается использовать поточный шифр, что
решает еще одну задачу – улучшение статистических свойств выходных
значений [3].
Наиболее важным элементом в схеме ГСЧ является источник энтропии, так как именно его характеристики – статистические свойства и
быстродействие, определяют «качество» генератора. В МИФИ была проведена совместная работа сотрудников кафедр «Криптология и дискретная математика», «Физика элементарных частиц» и «Экспериментальные
методы ядерной физики», в результате которой был построен макет источника энтропии, основанного на квантовых эффектах.
В отличие от традиционных источников, которые порождают поток
равновероятных двоичных цифр, выходом данного устройства является
количественная оценка «интенсивности квантового явления» [4]. Выходная величина принимает десятки и даже сотни различных значений и, не
являясь равновероятной, имеет удельную энтропию на отсчет значительно
больше единицы, свойственной традиционным пороговым источникам.
По данным экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. Данные, получаемые с использованием построенного источника энтропии, являются независимыми, что позволяет эффективно использовать
их в качестве входных значений ГСЧ, использующегося в криптографических приложениях
2. Значения энтропии свидетельствуют о том, что ГСЧ, основанный на
квантовых эффектах, будет обладать скоростью, значительно превышающей показатели современных отечественных генераторов.
Список литературы
1. http://www.idquantique.com.
2. Архангельская А.В. Некоторые аспекты разработки генераторов случайных чисел //
«Безопасность информационных технологий», № 3, 2004. – С. 45 – 48.
3. Архангельская А.В. Об одном подходе к построению генератора случайных чисел //
Методы и технические средства обеспечения безопасности информации. Материалы XII
Общероссийской научно-технической конференции. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2004. – С. 51.
4. Георгиевская Е. А., Клемин С. Н., Филатов Л. А. И др. Твердотельный электронный
умножитель многоцелевого назначения на основе гейгеровских микроячеек // «Прикладная
физика», № 2, 2003.
ISBN 5-7262-0557-Х. XII Всероссийская научно-практическая конференция
12
УДК 004.056:378(06) Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы
ISBN 5-7262-0557-Х. XII Всероссийская научно-практическая конференция
13