AN4230
应用笔记
使用 NIST 统计测试套件验证STM32 微控制器随机数生成


前言
很多标准都规定了构造要求和参考、随机数发生器 (RNG) 的验证和使用，以便检验其生成的
输出是否是真正的随机数。
本应用笔记中包含的指南用于检验所选 STM32 微控制器中嵌入的随机数发生器外设生成的
数字的随机性。本次验证是基于美国国家标准技术局 (NIST) 统计测试套件 (STS) SP 800-
22rev1a （2010 年 4 月）进行的。


1、STM32  微控制器随机数发生器
1.1 前言
为加密应用程序使用的随机数发生器 (RNG) 通常会生成由随机的 0 或 1 位组成的序列。
随机数发生器基本上分为两类，分别是：
1. 确定性随机数发生器或伪随机数发生器 (PRNG)：
确定性 RNG 包含的算法会通过名为种子的初始值生成位序列。为确保向前不可预测
性，获取种子时必须多加留意。如果已知种子和生成算法，PRNG 生成的数值是完全可
" X: ~) V$ @! _( U5 b( d预测的。由于很多情况下生成算法是公开可用的，因此种子必须保密，并通过 TRNG
来生成。
2 f9 R; a; C3 [3 \2.  非确定性随机数发生器或真随机数发生器 (TRNG)：
; R( t, B0 W* f, E4 o非确定性 RNG 生成的随机性取决于一些不受人为控制的不可预测物理源 （即熵源）。
7 u% v0 e: b& ^) d& b: \在 STM32 微控制器上采用的 RNG 硬件外设以及在 第  1.2.1 节 中介绍的 RNG 硬件外设属于
# _. s7 [! x* E真随机数发生器。

1.2  STM32  微控制器实施说明
$ A' f2 j# [5 s4 q4 C1.2.1  真随机数发生器
/ L0 r8 B7 J9 }) i1 t6 F下表列出的是嵌入了 RNG 硬件外设的 STM32 微控制器线列：

# c! w1 K- B) c1 e  W3 {7 k
; Q) c4 ?" ~2 D0 W* DSTM32 微控制器上使用的真随机数发生器外设基于模拟电路。该电路生成的连续模拟噪声
/ K+ ~, p. w& [( j6 S- n5 ^1 @将用于 RNG 处理，以生成 32 位随机数。
该模拟电路由几个环形振荡器组成，振荡器的输出进行异或运算。
RNG 处理由采用恒定频率的专用时钟计时，对于微控制器的子设备，还可以使用频率值不
; E! i: e7 P2 g3 i" g( `: {同的时钟来计时。
' l) t9 V* n+ q' s* A' m/ U2 x有关 RNG 外设的详细信息，请参见 STM32 微控制器参考手册。
图  1 给出了 STM32 微控制器的 TRNG 框图。
" C7 ?+ [; Z0 ~0 V, V

7 F4 z; K* T3 m4 B$ K, f; v
# ^+ A9 i: c& a! W; @5 y0 Q5 ]2  NIST SP800-22b  测试套件
2.1  前言
( J2 e' o) h  p0 I, m: dNIST SP800-22b 统计测试套件已使用由 国家标准技术局 (NIST) 开发的统计数据测量套件
(sts) 实现，可检验用于加密应用的随机数发生器的质量。标题为 “A Statistical Test Suite for
the Validation of Random Number Generators and Pseudo Random Number Generators for
Cryptographic Applications”” 的文章对该套件进行了全面介绍。
/ S0 D8 J# B# |2 b5 a: x
- u- u6 {& v( R3 a! @( P2 F: _2.2  NIST SP800-22b  测试套件说明
NIST SP800-22b 统计测试套件 “sts-2.1.1” 是由 国家标准技术局 开发的软件包，可在 NIST
7 X# g; f4 u; ^) [' A. a( U  s网站上下载：请在 http://csrc.nist.gov 上搜索 “NIST Statistical Test Suite download”。

源代码使用 ANSI C 编写。 NIST 统计测试套件由 15 种测试组成，用于测试二进制序列的随
机性。这些测试主要针对序列中可能存在的各类非随机性问题。从这一角度，可将测试套件
& ~/ @: U$ e/ b6 i0 M- T/ m分为以下几类：
& s5 |* L; {; Q4 b5 c5 j
3 h9 T& ], J& g5 F频率测试
/ }  u8 J; g- \6 c/ p: t• 频率 （单比特）测试：
3 t/ }4 X2 `7 n* q" V衡量 0 和 1 在序列中的分布情况，并检查结果是否与真随机数序列的预期结果相似。
• 块中的频率测试：
检查 M 位块中 1 的频率是否近似为预期通过随机性原理得到 M/2。
• 运行测试：
( [- u) b3 |/ @' ?评估不同长度的 1 和 0 的预期运行总数是否是随机序列的预期结果。
& Q. t9 P- J5 x& R& q• 测试块中运行最长的 “1”：
9 N" }6 G% m2 P- a4 m* r7 `检查序列中的长运行 “1”：

...

* r$ F; q& E) z) T
) l( F' h$ x( b% {6 i/ D/ \3 u阅读更多内容，请下载文档：
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