基于钟控非线性序列的RFID伪随机数发生器设计

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摘要:以RFID加密系统的伪随机数发生器为研究对象,提出以线性反馈移位寄存器(LFSR)为基本部件的复合型钟控非线性伪随机数发生器的设计方法。通过Matlab和QuartusII对该设计的周期、线性复杂度、均匀性、功耗等特征参数进行分析,最后硬件电路采用FPGA产品中低成本、低功耗的CycloneⅡ实现。此设计既保持了基本钟控非线性序列循环周期长、线性复杂度高的特性,同时提高了输出序列取值分布的均匀性,电路结构简单,并行输出16位数据,能够满足rfid加密系统的要求。

关键词:线性反馈移位寄存器;钟控非线性序列;线性复杂度;均匀性;现场可编程门阵列

中图分类号:TP309.1

文献标志码:A

0引言

随机数在仿真、信息安全和软件测试等领域都起着重用的作用,特别是在加密系统中,随机数是整个加密系统的安全基石。真正的随机数可以通过物理噪声产生器实现,但是很难获得,且造价高,易受周围环境噪声的干扰。目前,信息网络中通常使用的是以递推算法为基础的伪随机数。

基于线性同余递推算法的伪随机数发生器是现在使用较多的一种伪随机数发生器,此种发生器实现简单,但是种子x(0)一旦确定,以后的数就被确定性产生了,而且由于受指令周期限制,伪随机数的生成速度慢,便于攻击者连续监测获取随机数。在密码分析中,敌手如果获得数列的极少一部分x(i),就可以确定出算法参数,从而破解密码。改进的方法是利用系统时钟修改随机数序列,但是由于系统时钟本身具有规律性,所以该方法也容易破解。

也有一些使用由多级线性反馈移位寄存器(LinearFeedbackShiftRegister,LFSR)产生的伪随机数序列,为了达到较大的周期,LFSR的级数n通常取得很大。当n很大时,寻找其本原多项式的时间将急剧增加,反馈链长度增长,增加了电路设计的复杂性和逻辑电路的延时,限制了LFSR的最高工作频率,因此循环周期和最高工作频率之间的矛盾又限制了n的选择。另外,多级LFSR线性复杂度低,容易通过一段连续随机数推测出生成结构,预测以后的随机数。

由于无线射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)是在无线的开放式环境中进行数据交换,所以为攻击者窃取数据提供了机会。为了避免“身份认证”随机数和加密密钥被破解,实现重放攻击,随机数必须具有强抗分析特性,只有这样才能保证整个加密系统的安全。