[论文解读] Post-Processing Free Spatio-Temporal Optical Random Number Generator Resilient to Hardware Failure and Signal Injection Attacks

M. Stipčević, John E. Bowers|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种无需后处理的时空光学随机数生成器，利用光子发射与探测中的时空量子噪声，生成密码学安全的随机数。该系统对硬件故障和信号注入攻击具有抗性，生成的序列无需后处理即可通过NIST统计测试套件，且与真正随机性的偏差可通过简单测量进行量化。

ABSTRACT

We present a random number generator based on quantum effects in photonic emission and detection. It is unique in simultaneous use of both spatial and temporal quantum information contained in the system which makes it resilient to hardware failure and signal injection attacks. We show that its deviation from randomness cam be estimated based on simple measurements. Generated numbers pass NIST Statistical test suite without post-processing.

研究动机与目标

• 开发一种高速、物理安全的随机数生成器，可抵抗常见侧信道攻击和故障攻击。
• 在保持密码学随机性的同时，消除光学随机数生成中的后处理需求。
• 通过同时利用空间和时间量子信息，增强对硬件故障和信号注入攻击的鲁棒性。
• 仅通过基本系统测量即可实现对随机性偏差的直接估计。
• 在无需任何算法后处理的情况下，证明系统符合NIST统计测试套件。

提出的方法

• 生成器利用半导体二极管在反向偏置下光子发射的时空模式中的量子噪声。
• 采用多元素光电探测器阵列，同时捕捉空间和时间强度波动。
• 通过检测光信号的幅度噪声直接生成随机比特，无需任何算法处理。
• 基于测量的信号方差和系统参数，利用统计模型估算系统的随机性偏差。
• 由于空间和时间量子波动的固有不可预测性，该设计确保信号注入攻击无效。
• 该方法基于自发辐射和散粒噪声的物理模型，验证了随机性来源的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于量子光学噪声的随机数生成器是否能在无需后处理的情况下产生密码学安全的随机性？
• RQ2 如何联合利用空间和时间量子噪声以增强对硬件故障和攻击的抗性？
• RQ3 哪些可测量的系统参数可用于估计生成序列与真正随机性之间的偏差？
• RQ4 通过利用双域量子噪声，能在多大程度上缓解光学随机数生成器中的信号注入攻击？
• RQ5 此类系统是否能在不进行任何算法后处理的情况下通过NIST统计测试套件？

主要发现

• 生成的随机数序列在无需任何后处理的情况下通过了NIST统计测试套件的所有测试，证实了其高质量的随机性。
• 仅通过测量信号方差和系统参数等基本参数，即可对系统与真正随机性的偏差进行量化。
• 同时利用空间和时间量子噪声，使系统天然具备对信号注入攻击和硬件故障的抗性。
• 生成器可直接从物理噪声中实现高速随机数生成，消除了计算后处理的开销。
• 该方法可通过简单、非侵入式测量实现实时监控随机性质量。
• 发表于《Optics Express》（2015年）的实验结果验证了理论预测，并证实了该设计的鲁棒性。