OpenTRNG Ein Open-Source-Projekt für echte Zufallszahlengenerierung in Chips

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Das französische Forschungslabor CEA-Leti hat ein quelloffenes Cybersicherheitsprojekt zur Entwicklung physischer echter Zufallszahlengeneratoren (True Random Number Generators, TRNGs) für ICs angekündigt. Ein Schlüsselelement hierfür sind Ringoszillatoren.

CEA-Leti hat ein Open-Source-Projekt zur Herstellung physikalischer True Random Number Generators (TRNG) auf der Basis von Ringoszillator-Architekturen angekündigt. Das OpenTRG genannte Cybersecurity-Toolkit, das sich vorrangig an industrielle und akademische Forscher richtet, umfasst Referenzdesigns, Emulationswerkzeuge und Analysewerkzeuge, um die Entwicklung und Charakterisierung von Hardware-TRNG-Implementierungen zu erleichtern.

Open-Source-Ansatz soll mehr Sicherheit schaffen

„Der Start des Projekts erfolgt zur rechten Zeit, da die staatlichen Organisationen der EU sich darauf vorbereiten, Empfehlungen oder Anforderungen für die TRNG-Sicherheitszertifizierung zu veröffentlichen“, heißt es in CEA-Leti's offzieller Ankündigung. „Für große Unternehmen, KMUs und Start-ups wird OpenTRNG die Entwicklung von TRNGs unterstützen, die mit der Zertifizierungsmethodik kompatibel sind. Für die akademische Hardware-Sicherheitsgemeinschaft könnte das Projekt als Rahmen genutzt werden, um die Forschungsbemühungen zu verbessern und eine Lehrplattform für Studenten zu bieten.“

Zufallszahlengeneratoren werden zur Erstellung kryptografischer Zufallsschlüssel für Verschlüsselungsalgorithmen, digitale Signaturen und sichere Kommunikationsprotokolle verwendet. Sie finden aber auch in der wissenschaftlichen Forschung, komplexen Simulationen, der Datenanalyse oder in Computer- und Videospielen eingesetzt. Dabei ist es aus Sicherheitsgründen oder bei Wissenschaftlichen Modellen oft essentiell, dass diese Zufallszahlen auch wirklich „echt“, also komplett zufällig erzeugt werden. Lässt sich die Methodik, mit der Zufallszahlen entstehen, vorhersagen oder berechnen, lässt sich damit der Sicherheitsaspekt aushebeln, oder die gewünschten Forschungs- und Simulationsergebnisse bleiben lückenhaft.

Die Open-Source-Initiative OpenTRG wurde diesen Oktober auf der International Conference on Design, Test and Technology of Integrated Systems (IEEE DTTIS) mit dem Beitrag „OpenTRNG: an Open-Source Initiative for Ring-Oscillator-Based TRNGs“ angekündigt. „Im Bereich der Sicherheit gibt es zwei Hauptansätze [für die Erzeugung von Zufallszahlen]: proprietäre Lösungen und offene Standards“, sagte CEA-Leti-Forscher Florian Pebay-Peyroula, ein Forscher am CEA-Leti und einer der Hauptautoren der Studie. „Auch wenn es kontraintuitiv erscheinen mag, sind offene Standards die bessere Option. Im Gegensatz zu geschlossenen Lösungen können offene Designs von internationalen Experten überprüft und validiert werden. Wir glauben, dass das Projekt durch die Bereitstellung von quelloffenen TRNG-Entwürfen und -Werkzeugen den Zugang zu diesem Bereich erleichtern und das Wachstum der Gemeinschaft fördern wird.“

Ringoszillatoren: Phasenrauschen als echte Entropiequelle

Für die Generierung von Zufallszahlen in Halbleitern wird in der Regel eine möglichst zufällig ermittelte Basiszahl ermittelt, die sogenannte Entropiequelle. Auf deren Basis setzt mit Hilfe von Algorithmen und anderen Elementen dann der eigentliche Zufallszahlengenerator. So lässt sich beispielsweise auch ein Zufallszahlengenerator auf Basis einer Systemzeituhr aufsetzen. Je „echter“ und zufälliger diese Entropiequelle ist, umso sicherer ist der resultierende echte Zufallszahlengenerator. Im Falle des Beispiels mit der Systemzeituhr könnte ein Angreifer diese relativ einfach gezielt manipulieren, um daraus ein bestimmtes Ergebnis gezielt herbeizuführen – der Sicherheitsmechanismus wäre somit ausgehebelt.

Der Einsatz von Ringoszillalatoren als seine solche Entropiequelle ist nichts Ungewöhnliches: In der Regel wird hierfür der inhärente Jitter zwischen zwei oder mehreren Ringoszillatoren verwendet, der ein zufälliges und damit nicht vorhersehbares Phasenrauschen verursacht. Dieses relative Phasenrauschen wird dann durch einen Abtastmechanismus in Zufallsbits umgewandelt. Das offen zugängliche OpenTRNG-Framework umfasst derzeit drei solcher Referenz-Sampling-Architekturen auf Basis von Ringoszillatoren:

• Elementar-basierter Ring-Oszillator (ERO),

• Multiring-Oszillator (MURO), und

• Kohärenter Stichproben-Ringoszillator (Coherent Sampling Ring Oszillator, COSO).

Quellcode und Toolkit des OpenTRNG-Frameworks stehen unter einer GNU GPLv3 Lizenz auf dem zugehörigen OpenTRNG-GitHub-Repository zur Verfügung. Die Dokumentation von OpenTRNG kann auf einer eigens eingerichteten Website unter opentrng.org eingesehen werden.(sg)

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