~andreserl/ubuntu/lucid/bind9/bind9-apport-533601

« back to all changes in this revision

Viewing changes to doc/rfc/rfc1750.txt

  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): LaMont Jones, LaMont Jones, Internet Software Consortium, Inc, localization folks
  • Date: 2008-08-02 14:20:20 UTC
  • mfrom: (1.2.1 upstream) (6.1.24 intrepid)
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20080802142020-l1hon9jy8lbbjxmg
[LaMont Jones]

* default to using resolvconf if it is installed
* fix sonames and dependencies.  Closes: #149259, #492418
* Do not build-depend libcap2-dev on non-linux.  Closes: #493392
* drop unused query-loc manpage.  Closes: #492564
* lwresd: Deliver /etc/bind directory.  Closes: #490027
* fix query-source comment in default install

[Internet Software Consortium, Inc]

* 9.5.0-P2.  Closes: #492949

[localization folks]

* l10n: Spanish debconf translation.  Closes: #492425 (Ignacio Mondino)
* l10n: Swedish debconf templates.  Closes: #491369 (Martin Ågren)
* l10n: Japanese debconf translations.  Closes: #492048 (Hideki Yamane
  (Debian-JP))
* l10n: Finnish translation.  Closes: #490630 (Esko Arajärvi)
* l10n: Italian debconf translations.  Closes: #492587 (Alessandro Vietta)

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
1
 
 
2
 
 
3
 
 
4
 
 
5
 
 
6
 
 
7
 
Network Working Group                                   D. Eastlake, 3rd
8
 
Request for Comments: 1750                                           DEC
9
 
Category: Informational                                       S. Crocker
10
 
                                                               Cybercash
11
 
                                                             J. Schiller
12
 
                                                                     MIT
13
 
                                                           December 1994
14
 
 
15
 
 
16
 
                Randomness Recommendations for Security
17
 
 
18
 
Status of this Memo
19
 
 
20
 
   This memo provides information for the Internet community.  This memo
21
 
   does not specify an Internet standard of any kind.  Distribution of
22
 
   this memo is unlimited.
23
 
 
24
 
Abstract
25
 
 
26
 
   Security systems today are built on increasingly strong cryptographic
27
 
   algorithms that foil pattern analysis attempts. However, the security
28
 
   of these systems is dependent on generating secret quantities for
29
 
   passwords, cryptographic keys, and similar quantities.  The use of
30
 
   pseudo-random processes to generate secret quantities can result in
31
 
   pseudo-security.  The sophisticated attacker of these security
32
 
   systems may find it easier to reproduce the environment that produced
33
 
   the secret quantities, searching the resulting small set of
34
 
   possibilities, than to locate the quantities in the whole of the
35
 
   number space.
36
 
 
37
 
   Choosing random quantities to foil a resourceful and motivated
38
 
   adversary is surprisingly difficult.  This paper points out many
39
 
   pitfalls in using traditional pseudo-random number generation
40
 
   techniques for choosing such quantities.  It recommends the use of
41
 
   truly random hardware techniques and shows that the existing hardware
42
 
   on many systems can be used for this purpose.  It provides
43
 
   suggestions to ameliorate the problem when a hardware solution is not
44
 
   available.  And it gives examples of how large such quantities need
45
 
   to be for some particular applications.
46
 
 
47
 
 
48
 
 
49
 
 
50
 
 
51
 
 
52
 
 
53
 
 
54
 
 
55
 
 
56
 
 
57
 
 
58
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 1]
59
 
 
60
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
61
 
 
62
 
 
63
 
Acknowledgements
64
 
 
65
 
   Comments on this document that have been incorporated were received
66
 
   from (in alphabetic order) the following:
67
 
 
68
 
        David M. Balenson (TIS)
69
 
        Don Coppersmith (IBM)
70
 
        Don T. Davis (consultant)
71
 
        Carl Ellison (Stratus)
72
 
        Marc Horowitz (MIT)
73
 
        Christian Huitema (INRIA)
74
 
        Charlie Kaufman (IRIS)
75
 
        Steve Kent (BBN)
76
 
        Hal Murray (DEC)
77
 
        Neil Haller (Bellcore)
78
 
        Richard Pitkin (DEC)
79
 
        Tim Redmond (TIS)
80
 
        Doug Tygar (CMU)
81
 
 
82
 
Table of Contents
83
 
 
84
 
   1. Introduction........................................... 3
85
 
   2. Requirements........................................... 4
86
 
   3. Traditional Pseudo-Random Sequences.................... 5
87
 
   4. Unpredictability....................................... 7
88
 
   4.1 Problems with Clocks and Serial Numbers............... 7
89
 
   4.2 Timing and Content of External Events................  8
90
 
   4.3 The Fallacy of Complex Manipulation..................  8
91
 
   4.4 The Fallacy of Selection from a Large Database.......  9
92
 
   5. Hardware for Randomness............................... 10
93
 
   5.1 Volume Required...................................... 10
94
 
   5.2 Sensitivity to Skew.................................. 10
95
 
   5.2.1 Using Stream Parity to De-Skew..................... 11
96
 
   5.2.2 Using Transition Mappings to De-Skew............... 12
97
 
   5.2.3 Using FFT to De-Skew............................... 13
98
 
   5.2.4 Using Compression to De-Skew....................... 13
99
 
   5.3 Existing Hardware Can Be Used For Randomness......... 14
100
 
   5.3.1 Using Existing Sound/Video Input................... 14
101
 
   5.3.2 Using Existing Disk Drives......................... 14
102
 
   6. Recommended Non-Hardware Strategy..................... 14
103
 
   6.1 Mixing Functions..................................... 15
104
 
   6.1.1 A Trivial Mixing Function.......................... 15
105
 
   6.1.2 Stronger Mixing Functions.......................... 16
106
 
   6.1.3 Diff-Hellman as a Mixing Function.................. 17
107
 
   6.1.4 Using a Mixing Function to Stretch Random Bits..... 17
108
 
   6.1.5 Other Factors in Choosing a Mixing Function........ 18
109
 
   6.2 Non-Hardware Sources of Randomness................... 19
110
 
   6.3 Cryptographically Strong Sequences................... 19
111
 
 
112
 
 
113
 
 
114
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 2]
115
 
 
116
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
117
 
 
118
 
 
119
 
   6.3.1 Traditional Strong Sequences....................... 20
120
 
   6.3.2 The Blum Blum Shub Sequence Generator.............. 21
121
 
   7. Key Generation Standards.............................. 22
122
 
   7.1 US DoD Recommendations for Password Generation....... 23
123
 
   7.2 X9.17 Key Generation................................. 23
124
 
   8. Examples of Randomness Required....................... 24
125
 
   8.1  Password Generation................................. 24
126
 
   8.2 A Very High Security Cryptographic Key............... 25
127
 
   8.2.1 Effort per Key Trial............................... 25
128
 
   8.2.2 Meet in the Middle Attacks......................... 26
129
 
   8.2.3 Other Considerations............................... 26
130
 
   9. Conclusion............................................ 27
131
 
   10. Security Considerations.............................. 27
132
 
   References............................................... 28
133
 
   Authors' Addresses....................................... 30
134
 
 
135
 
1. Introduction
136
 
 
137
 
   Software cryptography is coming into wider use.  Systems like
138
 
   Kerberos, PEM, PGP, etc. are maturing and becoming a part of the
139
 
   network landscape [PEM].  These systems provide substantial
140
 
   protection against snooping and spoofing.  However, there is a
141
 
   potential flaw.  At the heart of all cryptographic systems is the
142
 
   generation of secret, unguessable (i.e., random) numbers.
143
 
 
144
 
   For the present, the lack of generally available facilities for
145
 
   generating such unpredictable numbers is an open wound in the design
146
 
   of cryptographic software.  For the software developer who wants to
147
 
   build a key or password generation procedure that runs on a wide
148
 
   range of hardware, the only safe strategy so far has been to force
149
 
   the local installation to supply a suitable routine to generate
150
 
   random numbers.  To say the least, this is an awkward, error-prone
151
 
   and unpalatable solution.
152
 
 
153
 
   It is important to keep in mind that the requirement is for data that
154
 
   an adversary has a very low probability of guessing or determining.
155
 
   This will fail if pseudo-random data is used which only meets
156
 
   traditional statistical tests for randomness or which is based on
157
 
   limited range sources, such as clocks.  Frequently such random
158
 
   quantities are determinable by an adversary searching through an
159
 
   embarrassingly small space of possibilities.
160
 
 
161
 
   This informational document suggests techniques for producing random
162
 
   quantities that will be resistant to such attack.  It recommends that
163
 
   future systems include hardware random number generation or provide
164
 
   access to existing hardware that can be used for this purpose.  It
165
 
   suggests methods for use if such hardware is not available.  And it
166
 
   gives some estimates of the number of random bits required for sample
167
 
 
168
 
 
169
 
 
170
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 3]
171
 
 
172
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
173
 
 
174
 
 
175
 
   applications.
176
 
 
177
 
2. Requirements
178
 
 
179
 
   Probably the most commonly encountered randomness requirement today
180
 
   is the user password. This is usually a simple character string.
181
 
   Obviously, if a password can be guessed, it does not provide
182
 
   security.  (For re-usable passwords, it is desirable that users be
183
 
   able to remember the password.  This may make it advisable to use
184
 
   pronounceable character strings or phrases composed on ordinary
185
 
   words.  But this only affects the format of the password information,
186
 
   not the requirement that the password be very hard to guess.)
187
 
 
188
 
   Many other requirements come from the cryptographic arena.
189
 
   Cryptographic techniques can be used to provide a variety of services
190
 
   including confidentiality and authentication.  Such services are
191
 
   based on quantities, traditionally called "keys", that are unknown to
192
 
   and unguessable by an adversary.
193
 
 
194
 
   In some cases, such as the use of symmetric encryption with the one
195
 
   time pads [CRYPTO*] or the US Data Encryption Standard [DES], the
196
 
   parties who wish to communicate confidentially and/or with
197
 
   authentication must all know the same secret key.  In other cases,
198
 
   using what are called asymmetric or "public key" cryptographic
199
 
   techniques, keys come in pairs.  One key of the pair is private and
200
 
   must be kept secret by one party, the other is public and can be
201
 
   published to the world.  It is computationally infeasible to
202
 
   determine the private key from the public key [ASYMMETRIC, CRYPTO*].
203
 
 
204
 
   The frequency and volume of the requirement for random quantities
205
 
   differs greatly for different cryptographic systems.  Using pure RSA
206
 
   [CRYPTO*], random quantities are required when the key pair is
207
 
   generated, but thereafter any number of messages can be signed
208
 
   without any further need for randomness.  The public key Digital
209
 
   Signature Algorithm that has been proposed by the US National
210
 
   Institute of Standards and Technology (NIST) requires good random
211
 
   numbers for each signature.  And encrypting with a one time pad, in
212
 
   principle the strongest possible encryption technique, requires a
213
 
   volume of randomness equal to all the messages to be processed.
214
 
 
215
 
   In most of these cases, an adversary can try to determine the
216
 
   "secret" key by trial and error.  (This is possible as long as the
217
 
   key is enough smaller than the message that the correct key can be
218
 
   uniquely identified.)  The probability of an adversary succeeding at
219
 
   this must be made acceptably low, depending on the particular
220
 
   application.  The size of the space the adversary must search is
221
 
   related to the amount of key "information" present in the information
222
 
   theoretic sense [SHANNON].  This depends on the number of different
223
 
 
224
 
 
225
 
 
226
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 4]
227
 
 
228
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
229
 
 
230
 
 
231
 
   secret values possible and the probability of each value as follows:
232
 
 
233
 
                      -----
234
 
                       \
235
 
        Bits-of-info =  \  - p   * log  ( p  )
236
 
                        /     i       2    i
237
 
                       /
238
 
                      -----
239
 
 
240
 
   where i varies from 1 to the number of possible secret values and p
241
 
   sub i is the probability of the value numbered i.  (Since p sub i is
242
 
   less than one, the log will be negative so each term in the sum will
243
 
   be non-negative.)
244
 
 
245
 
   If there are 2^n different values of equal probability, then n bits
246
 
   of information are present and an adversary would, on the average,
247
 
   have to try half of the values, or 2^(n-1) , before guessing the
248
 
   secret quantity.  If the probability of different values is unequal,
249
 
   then there is less information present and fewer guesses will, on
250
 
   average, be required by an adversary.  In particular, any values that
251
 
   the adversary can know are impossible, or are of low probability, can
252
 
   be initially ignored by an adversary, who will search through the
253
 
   more probable values first.
254
 
 
255
 
   For example, consider a cryptographic system that uses 56 bit keys.
256
 
   If these 56 bit keys are derived by using a fixed pseudo-random
257
 
   number generator that is seeded with an 8 bit seed, then an adversary
258
 
   needs to search through only 256 keys (by running the pseudo-random
259
 
   number generator with every possible seed), not the 2^56 keys that
260
 
   may at first appear to be the case. Only 8 bits of "information" are
261
 
   in these 56 bit keys.
262
 
 
263
 
3. Traditional Pseudo-Random Sequences
264
 
 
265
 
   Most traditional sources of random numbers use deterministic sources
266
 
   of "pseudo-random" numbers.  These typically start with a "seed"
267
 
   quantity and use numeric or logical operations to produce a sequence
268
 
   of values.
269
 
 
270
 
   [KNUTH] has a classic exposition on pseudo-random numbers.
271
 
   Applications he mentions are simulation of natural phenomena,
272
 
   sampling, numerical analysis, testing computer programs, decision
273
 
   making, and games.  None of these have the same characteristics as
274
 
   the sort of security uses we are talking about.  Only in the last two
275
 
   could there be an adversary trying to find the random quantity.
276
 
   However, in these cases, the adversary normally has only a single
277
 
   chance to use a guessed value.  In guessing passwords or attempting
278
 
   to break an encryption scheme, the adversary normally has many,
279
 
 
280
 
 
281
 
 
282
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 5]
283
 
 
284
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
285
 
 
286
 
 
287
 
   perhaps unlimited, chances at guessing the correct value and should
288
 
   be assumed to be aided by a computer.
289
 
 
290
 
   For testing the "randomness" of numbers, Knuth suggests a variety of
291
 
   measures including statistical and spectral.  These tests check
292
 
   things like autocorrelation between different parts of a "random"
293
 
   sequence or distribution of its values.  They could be met by a
294
 
   constant stored random sequence, such as the "random" sequence
295
 
   printed in the CRC Standard Mathematical Tables [CRC].
296
 
 
297
 
   A typical pseudo-random number generation technique, known as a
298
 
   linear congruence pseudo-random number generator, is modular
299
 
   arithmetic where the N+1th value is calculated from the Nth value by
300
 
 
301
 
        V    = ( V  * a + b )(Mod c)
302
 
         N+1      N
303
 
 
304
 
   The above technique has a strong relationship to linear shift
305
 
   register pseudo-random number generators, which are well understood
306
 
   cryptographically [SHIFT*].  In such generators bits are introduced
307
 
   at one end of a shift register as the Exclusive Or (binary sum
308
 
   without carry) of bits from selected fixed taps into the register.
309
 
 
310
 
   For example:
311
 
 
312
 
      +----+     +----+     +----+                      +----+
313
 
      | B  | <-- | B  | <-- | B  | <--  . . . . . . <-- | B  | <-+
314
 
      |  0 |     |  1 |     |  2 |                      |  n |   |
315
 
      +----+     +----+     +----+                      +----+   |
316
 
        |                     |            |                     |
317
 
        |                     |            V                  +-----+
318
 
        |                     V            +----------------> |     |
319
 
        V                     +-----------------------------> | XOR |
320
 
        +---------------------------------------------------> |     |
321
 
                                                              +-----+
322
 
 
323
 
 
324
 
       V    = ( ( V  * 2 ) + B .xor. B ... )(Mod 2^n)
325
 
        N+1         N         0       2
326
 
 
327
 
   The goodness of traditional pseudo-random number generator algorithms
328
 
   is measured by statistical tests on such sequences.  Carefully chosen
329
 
   values of the initial V and a, b, and c or the placement of shift
330
 
   register tap in the above simple processes can produce excellent
331
 
   statistics.
332
 
 
333
 
 
334
 
 
335
 
 
336
 
 
337
 
 
338
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 6]
339
 
 
340
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
341
 
 
342
 
 
343
 
   These sequences may be adequate in simulations (Monte Carlo
344
 
   experiments) as long as the sequence is orthogonal to the structure
345
 
   of the space being explored.  Even there, subtle patterns may cause
346
 
   problems.  However, such sequences are clearly bad for use in
347
 
   security applications.  They are fully predictable if the initial
348
 
   state is known.  Depending on the form of the pseudo-random number
349
 
   generator, the sequence may be determinable from observation of a
350
 
   short portion of the sequence [CRYPTO*, STERN].  For example, with
351
 
   the generators above, one can determine V(n+1) given knowledge of
352
 
   V(n).  In fact, it has been shown that with these techniques, even if
353
 
   only one bit of the pseudo-random values is released, the seed can be
354
 
   determined from short sequences.
355
 
 
356
 
   Not only have linear congruent generators been broken, but techniques
357
 
   are now known for breaking all polynomial congruent generators
358
 
   [KRAWCZYK].
359
 
 
360
 
4. Unpredictability
361
 
 
362
 
   Randomness in the traditional sense described in section 3 is NOT the
363
 
   same as the unpredictability required for security use.
364
 
 
365
 
   For example, use of a widely available constant sequence, such as
366
 
   that from the CRC tables, is very weak against an adversary. Once
367
 
   they learn of or guess it, they can easily break all security, future
368
 
   and past, based on the sequence [CRC].  Yet the statistical
369
 
   properties of these tables are good.
370
 
 
371
 
   The following sections describe the limitations of some randomness
372
 
   generation techniques and sources.
373
 
 
374
 
4.1 Problems with Clocks and Serial Numbers
375
 
 
376
 
   Computer clocks, or similar operating system or hardware values,
377
 
   provide significantly fewer real bits of unpredictability than might
378
 
   appear from their specifications.
379
 
 
380
 
   Tests have been done on clocks on numerous systems and it was found
381
 
   that their behavior can vary widely and in unexpected ways.  One
382
 
   version of an operating system running on one set of hardware may
383
 
   actually provide, say, microsecond resolution in a clock while a
384
 
   different configuration of the "same" system may always provide the
385
 
   same lower bits and only count in the upper bits at much lower
386
 
   resolution.  This means that successive reads on the clock may
387
 
   produce identical values even if enough time has passed that the
388
 
   value "should" change based on the nominal clock resolution. There
389
 
   are also cases where frequently reading a clock can produce
390
 
   artificial sequential values because of extra code that checks for
391
 
 
392
 
 
393
 
 
394
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 7]
395
 
 
396
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
397
 
 
398
 
 
399
 
   the clock being unchanged between two reads and increases it by one!
400
 
   Designing portable application code to generate unpredictable numbers
401
 
   based on such system clocks is particularly challenging because the
402
 
   system designer does not always know the properties of the system
403
 
   clocks that the code will execute on.
404
 
 
405
 
   Use of a hardware serial number such as an Ethernet address may also
406
 
   provide fewer bits of uniqueness than one would guess.  Such
407
 
   quantities are usually heavily structured and subfields may have only
408
 
   a limited range of possible values or values easily guessable based
409
 
   on approximate date of manufacture or other data.  For example, it is
410
 
   likely that most of the Ethernet cards installed on Digital Equipment
411
 
   Corporation (DEC) hardware within DEC were manufactured by DEC
412
 
   itself, which significantly limits the range of built in addresses.
413
 
 
414
 
   Problems such as those described above related to clocks and serial
415
 
   numbers make code to produce unpredictable quantities difficult if
416
 
   the code is to be ported across a variety of computer platforms and
417
 
   systems.
418
 
 
419
 
4.2 Timing and Content of External Events
420
 
 
421
 
   It is possible to measure the timing and content of mouse movement,
422
 
   key strokes, and similar user events.  This is a reasonable source of
423
 
   unguessable data with some qualifications.  On some machines, inputs
424
 
   such as key strokes are buffered.  Even though the user's inter-
425
 
   keystroke timing may have sufficient variation and unpredictability,
426
 
   there might not be an easy way to access that variation.  Another
427
 
   problem is that no standard method exists to sample timing details.
428
 
   This makes it hard to build standard software intended for
429
 
   distribution to a large range of machines based on this technique.
430
 
 
431
 
   The amount of mouse movement or the keys actually hit are usually
432
 
   easier to access than timings but may yield less unpredictability as
433
 
   the user may provide highly repetitive input.
434
 
 
435
 
   Other external events, such as network packet arrival times, can also
436
 
   be used with care.  In particular, the possibility of manipulation of
437
 
   such times by an adversary must be considered.
438
 
 
439
 
4.3 The Fallacy of Complex Manipulation
440
 
 
441
 
   One strategy which may give a misleading appearance of
442
 
   unpredictability is to take a very complex algorithm (or an excellent
443
 
   traditional pseudo-random number generator with good statistical
444
 
   properties) and calculate a cryptographic key by starting with the
445
 
   current value of a computer system clock as the seed.  An adversary
446
 
   who knew roughly when the generator was started would have a
447
 
 
448
 
 
449
 
 
450
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 8]
451
 
 
452
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
453
 
 
454
 
 
455
 
   relatively small number of seed values to test as they would know
456
 
   likely values of the system clock.  Large numbers of pseudo-random
457
 
   bits could be generated but the search space an adversary would need
458
 
   to check could be quite small.
459
 
 
460
 
   Thus very strong and/or complex manipulation of data will not help if
461
 
   the adversary can learn what the manipulation is and there is not
462
 
   enough unpredictability in the starting seed value.  Even if they can
463
 
   not learn what the manipulation is, they may be able to use the
464
 
   limited number of results stemming from a limited number of seed
465
 
   values to defeat security.
466
 
 
467
 
   Another serious strategy error is to assume that a very complex
468
 
   pseudo-random number generation algorithm will produce strong random
469
 
   numbers when there has been no theory behind or analysis of the
470
 
   algorithm.  There is a excellent example of this fallacy right near
471
 
   the beginning of chapter 3 in [KNUTH] where the author describes a
472
 
   complex algorithm.  It was intended that the machine language program
473
 
   corresponding to the algorithm would be so complicated that a person
474
 
   trying to read the code without comments wouldn't know what the
475
 
   program was doing.  Unfortunately, actual use of this algorithm
476
 
   showed that it almost immediately converged to a single repeated
477
 
   value in one case and a small cycle of values in another case.
478
 
 
479
 
   Not only does complex manipulation not help you if you have a limited
480
 
   range of seeds but blindly chosen complex manipulation can destroy
481
 
   the randomness in a good seed!
482
 
 
483
 
4.4 The Fallacy of Selection from a Large Database
484
 
 
485
 
   Another strategy that can give a misleading appearance of
486
 
   unpredictability is selection of a quantity randomly from a database
487
 
   and assume that its strength is related to the total number of bits
488
 
   in the database.  For example, typical USENET servers as of this date
489
 
   process over 35 megabytes of information per day.  Assume a random
490
 
   quantity was selected by fetching 32 bytes of data from a random
491
 
   starting point in this data.  This does not yield 32*8 = 256 bits
492
 
   worth of unguessability.  Even after allowing that much of the data
493
 
   is human language and probably has more like 2 or 3 bits of
494
 
   information per byte, it doesn't yield 32*2.5 = 80 bits of
495
 
   unguessability.  For an adversary with access to the same 35
496
 
   megabytes the unguessability rests only on the starting point of the
497
 
   selection.  That is, at best, about 25 bits of unguessability in this
498
 
   case.
499
 
 
500
 
   The same argument applies to selecting sequences from the data on a
501
 
   CD ROM or Audio CD recording or any other large public database.  If
502
 
   the adversary has access to the same database, this "selection from a
503
 
 
504
 
 
505
 
 
506
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                    [Page 9]
507
 
 
508
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
509
 
 
510
 
 
511
 
   large volume of data" step buys very little.  However, if a selection
512
 
   can be made from data to which the adversary has no access, such as
513
 
   system buffers on an active multi-user system, it may be of some
514
 
   help.
515
 
 
516
 
5. Hardware for Randomness
517
 
 
518
 
   Is there any hope for strong portable randomness in the future?
519
 
   There might be.  All that's needed is a physical source of
520
 
   unpredictable numbers.
521
 
 
522
 
   A thermal noise or radioactive decay source and a fast, free-running
523
 
   oscillator would do the trick directly [GIFFORD].  This is a trivial
524
 
   amount of hardware, and could easily be included as a standard part
525
 
   of a computer system's architecture.  Furthermore, any system with a
526
 
   spinning disk or the like has an adequate source of randomness
527
 
   [DAVIS].  All that's needed is the common perception among computer
528
 
   vendors that this small additional hardware and the software to
529
 
   access it is necessary and useful.
530
 
 
531
 
5.1 Volume Required
532
 
 
533
 
   How much unpredictability is needed?  Is it possible to quantify the
534
 
   requirement in, say, number of random bits per second?
535
 
 
536
 
   The answer is not very much is needed.  For DES, the key is 56 bits
537
 
   and, as we show in an example in Section 8, even the highest security
538
 
   system is unlikely to require a keying material of over 200 bits.  If
539
 
   a series of keys are needed, it can be generated from a strong random
540
 
   seed using a cryptographically strong sequence as explained in
541
 
   Section 6.3.  A few hundred random bits generated once a day would be
542
 
   enough using such techniques.  Even if the random bits are generated
543
 
   as slowly as one per second and it is not possible to overlap the
544
 
   generation process, it should be tolerable in high security
545
 
   applications to wait 200 seconds occasionally.
546
 
 
547
 
   These numbers are trivial to achieve.  It could be done by a person
548
 
   repeatedly tossing a coin.  Almost any hardware process is likely to
549
 
   be much faster.
550
 
 
551
 
5.2 Sensitivity to Skew
552
 
 
553
 
   Is there any specific requirement on the shape of the distribution of
554
 
   the random numbers?  The good news is the distribution need not be
555
 
   uniform.  All that is needed is a conservative estimate of how non-
556
 
   uniform it is to bound performance.  Two simple techniques to de-skew
557
 
   the bit stream are given below and stronger techniques are mentioned
558
 
   in Section 6.1.2 below.
559
 
 
560
 
 
561
 
 
562
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 10]
563
 
 
564
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
565
 
 
566
 
 
567
 
5.2.1 Using Stream Parity to De-Skew
568
 
 
569
 
   Consider taking a sufficiently long string of bits and map the string
570
 
   to "zero" or "one".  The mapping will not yield a perfectly uniform
571
 
   distribution, but it can be as close as desired.  One mapping that
572
 
   serves the purpose is to take the parity of the string.  This has the
573
 
   advantages that it is robust across all degrees of skew up to the
574
 
   estimated maximum skew and is absolutely trivial to implement in
575
 
   hardware.
576
 
 
577
 
   The following analysis gives the number of bits that must be sampled:
578
 
 
579
 
   Suppose the ratio of ones to zeros is 0.5 + e : 0.5 - e, where e is
580
 
   between 0 and 0.5 and is a measure of the "eccentricity" of the
581
 
   distribution.  Consider the distribution of the parity function of N
582
 
   bit samples.  The probabilities that the parity will be one or zero
583
 
   will be the sum of the odd or even terms in the binomial expansion of
584
 
   (p + q)^N, where p = 0.5 + e, the probability of a one, and q = 0.5 -
585
 
   e, the probability of a zero.
586
 
 
587
 
   These sums can be computed easily as
588
 
 
589
 
                         N            N
590
 
        1/2 * ( ( p + q )  + ( p - q )  )
591
 
   and
592
 
                         N            N
593
 
        1/2 * ( ( p + q )  - ( p - q )  ).
594
 
 
595
 
   (Which one corresponds to the probability the parity will be 1
596
 
   depends on whether N is odd or even.)
597
 
 
598
 
   Since p + q = 1 and p - q = 2e, these expressions reduce to
599
 
 
600
 
                       N
601
 
        1/2 * [1 + (2e) ]
602
 
   and
603
 
                       N
604
 
        1/2 * [1 - (2e) ].
605
 
 
606
 
   Neither of these will ever be exactly 0.5 unless e is zero, but we
607
 
   can bring them arbitrarily close to 0.5.  If we want the
608
 
   probabilities to be within some delta d of 0.5, i.e. then
609
 
 
610
 
                            N
611
 
        ( 0.5 + ( 0.5 * (2e)  ) )  <  0.5 + d.
612
 
 
613
 
 
614
 
 
615
 
 
616
 
 
617
 
 
618
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 11]
619
 
 
620
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
621
 
 
622
 
 
623
 
   Solving for N yields N > log(2d)/log(2e).  (Note that 2e is less than
624
 
   1, so its log is negative.  Division by a negative number reverses
625
 
   the sense of an inequality.)
626
 
 
627
 
   The following table gives the length of the string which must be
628
 
   sampled for various degrees of skew in order to come within 0.001 of
629
 
   a 50/50 distribution.
630
 
 
631
 
                       +---------+--------+-------+
632
 
                       | Prob(1) |    e   |    N  |
633
 
                       +---------+--------+-------+
634
 
                       |   0.5   |  0.00  |    1  |
635
 
                       |   0.6   |  0.10  |    4  |
636
 
                       |   0.7   |  0.20  |    7  |
637
 
                       |   0.8   |  0.30  |   13  |
638
 
                       |   0.9   |  0.40  |   28  |
639
 
                       |   0.95  |  0.45  |   59  |
640
 
                       |   0.99  |  0.49  |  308  |
641
 
                       +---------+--------+-------+
642
 
 
643
 
   The last entry shows that even if the distribution is skewed 99% in
644
 
   favor of ones, the parity of a string of 308 samples will be within
645
 
   0.001 of a 50/50 distribution.
646
 
 
647
 
5.2.2 Using Transition Mappings to De-Skew
648
 
 
649
 
   Another technique, originally due to von Neumann [VON NEUMANN], is to
650
 
   examine a bit stream as a sequence of non-overlapping pairs. You
651
 
   could then discard any 00 or 11 pairs found, interpret 01 as a 0 and
652
 
   10 as a 1.  Assume the probability of a 1 is 0.5+e and the
653
 
   probability of a 0 is 0.5-e where e is the eccentricity of the source
654
 
   and described in the previous section.  Then the probability of each
655
 
   pair is as follows:
656
 
 
657
 
            +------+-----------------------------------------+
658
 
            | pair |            probability                  |
659
 
            +------+-----------------------------------------+
660
 
            |  00  | (0.5 - e)^2          =  0.25 - e + e^2  |
661
 
            |  01  | (0.5 - e)*(0.5 + e)  =  0.25     - e^2  |
662
 
            |  10  | (0.5 + e)*(0.5 - e)  =  0.25     - e^2  |
663
 
            |  11  | (0.5 + e)^2          =  0.25 + e + e^2  |
664
 
            +------+-----------------------------------------+
665
 
 
666
 
   This technique will completely eliminate any bias but at the expense
667
 
   of taking an indeterminate number of input bits for any particular
668
 
   desired number of output bits.  The probability of any particular
669
 
   pair being discarded is 0.5 + 2e^2 so the expected number of input
670
 
   bits to produce X output bits is X/(0.25 - e^2).
671
 
 
672
 
 
673
 
 
674
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 12]
675
 
 
676
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
677
 
 
678
 
 
679
 
   This technique assumes that the bits are from a stream where each bit
680
 
   has the same probability of being a 0 or 1 as any other bit in the
681
 
   stream and that bits are not correlated, i.e., that the bits are
682
 
   identical independent distributions.  If alternate bits were from two
683
 
   correlated sources, for example, the above analysis breaks down.
684
 
 
685
 
   The above technique also provides another illustration of how a
686
 
   simple statistical analysis can mislead if one is not always on the
687
 
   lookout for patterns that could be exploited by an adversary.  If the
688
 
   algorithm were mis-read slightly so that overlapping successive bits
689
 
   pairs were used instead of non-overlapping pairs, the statistical
690
 
   analysis given is the same; however, instead of provided an unbiased
691
 
   uncorrelated series of random 1's and 0's, it instead produces a
692
 
   totally predictable sequence of exactly alternating 1's and 0's.
693
 
 
694
 
5.2.3 Using FFT to De-Skew
695
 
 
696
 
   When real world data consists of strongly biased or correlated bits,
697
 
   it may still contain useful amounts of randomness.  This randomness
698
 
   can be extracted through use of the discrete Fourier transform or its
699
 
   optimized variant, the FFT.
700
 
 
701
 
   Using the Fourier transform of the data, strong correlations can be
702
 
   discarded.  If adequate data is processed and remaining correlations
703
 
   decay, spectral lines approaching statistical independence and
704
 
   normally distributed randomness can be produced [BRILLINGER].
705
 
 
706
 
5.2.4 Using Compression to De-Skew
707
 
 
708
 
   Reversible compression techniques also provide a crude method of de-
709
 
   skewing a skewed bit stream.  This follows directly from the
710
 
   definition of reversible compression and the formula in Section 2
711
 
   above for the amount of information in a sequence.  Since the
712
 
   compression is reversible, the same amount of information must be
713
 
   present in the shorter output than was present in the longer input.
714
 
   By the Shannon information equation, this is only possible if, on
715
 
   average, the probabilities of the different shorter sequences are
716
 
   more uniformly distributed than were the probabilities of the longer
717
 
   sequences.  Thus the shorter sequences are de-skewed relative to the
718
 
   input.
719
 
 
720
 
   However, many compression techniques add a somewhat predicatable
721
 
   preface to their output stream and may insert such a sequence again
722
 
   periodically in their output or otherwise introduce subtle patterns
723
 
   of their own.  They should be considered only a rough technique
724
 
   compared with those described above or in Section 6.1.2.  At a
725
 
   minimum, the beginning of the compressed sequence should be skipped
726
 
   and only later bits used for applications requiring random bits.
727
 
 
728
 
 
729
 
 
730
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 13]
731
 
 
732
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
733
 
 
734
 
 
735
 
5.3 Existing Hardware Can Be Used For Randomness
736
 
 
737
 
   As described below, many computers come with hardware that can, with
738
 
   care, be used to generate truly random quantities.
739
 
 
740
 
5.3.1 Using Existing Sound/Video Input
741
 
 
742
 
   Increasingly computers are being built with inputs that digitize some
743
 
   real world analog source, such as sound from a microphone or video
744
 
   input from a camera.  Under appropriate circumstances, such input can
745
 
   provide reasonably high quality random bits.  The "input" from a
746
 
   sound digitizer with no source plugged in or a camera with the lens
747
 
   cap on, if the system has enough gain to detect anything, is
748
 
   essentially thermal noise.
749
 
 
750
 
   For example, on a SPARCstation, one can read from the /dev/audio
751
 
   device with nothing plugged into the microphone jack.  Such data is
752
 
   essentially random noise although it should not be trusted without
753
 
   some checking in case of hardware failure.  It will, in any case,
754
 
   need to be de-skewed as described elsewhere.
755
 
 
756
 
   Combining this with compression to de-skew one can, in UNIXese,
757
 
   generate a huge amount of medium quality random data by doing
758
 
 
759
 
        cat /dev/audio | compress - >random-bits-file
760
 
 
761
 
5.3.2 Using Existing Disk Drives
762
 
 
763
 
   Disk drives have small random fluctuations in their rotational speed
764
 
   due to chaotic air turbulence [DAVIS].  By adding low level disk seek
765
 
   time instrumentation to a system, a series of measurements can be
766
 
   obtained that include this randomness. Such data is usually highly
767
 
   correlated so that significant processing is needed, including FFT
768
 
   (see section 5.2.3).  Nevertheless experimentation has shown that,
769
 
   with such processing, disk drives easily produce 100 bits a minute or
770
 
   more of excellent random data.
771
 
 
772
 
   Partly offsetting this need for processing is the fact that disk
773
 
   drive failure will normally be rapidly noticed.  Thus, problems with
774
 
   this method of random number generation due to hardware failure are
775
 
   very unlikely.
776
 
 
777
 
6. Recommended Non-Hardware Strategy
778
 
 
779
 
   What is the best overall strategy for meeting the requirement for
780
 
   unguessable random numbers in the absence of a reliable hardware
781
 
   source?  It is to obtain random input from a large number of
782
 
   uncorrelated sources and to mix them with a strong mixing function.
783
 
 
784
 
 
785
 
 
786
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 14]
787
 
 
788
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
789
 
 
790
 
 
791
 
   Such a function will preserve the randomness present in any of the
792
 
   sources even if other quantities being combined are fixed or easily
793
 
   guessable.  This may be advisable even with a good hardware source as
794
 
   hardware can also fail, though this should be weighed against any
795
 
   increase in the chance of overall failure due to added software
796
 
   complexity.
797
 
 
798
 
6.1 Mixing Functions
799
 
 
800
 
   A strong mixing function is one which combines two or more inputs and
801
 
   produces an output where each output bit is a different complex non-
802
 
   linear function of all the input bits.  On average, changing any
803
 
   input bit will change about half the output bits.  But because the
804
 
   relationship is complex and non-linear, no particular output bit is
805
 
   guaranteed to change when any particular input bit is changed.
806
 
 
807
 
   Consider the problem of converting a stream of bits that is skewed
808
 
   towards 0 or 1 to a shorter stream which is more random, as discussed
809
 
   in Section 5.2 above.  This is simply another case where a strong
810
 
   mixing function is desired, mixing the input bits to produce a
811
 
   smaller number of output bits.  The technique given in Section 5.2.1
812
 
   of using the parity of a number of bits is simply the result of
813
 
   successively Exclusive Or'ing them which is examined as a trivial
814
 
   mixing function immediately below.  Use of stronger mixing functions
815
 
   to extract more of the randomness in a stream of skewed bits is
816
 
   examined in Section 6.1.2.
817
 
 
818
 
6.1.1 A Trivial Mixing Function
819
 
 
820
 
   A trivial example for single bit inputs is the Exclusive Or function,
821
 
   which is equivalent to addition without carry, as show in the table
822
 
   below.  This is a degenerate case in which the one output bit always
823
 
   changes for a change in either input bit.  But, despite its
824
 
   simplicity, it will still provide a useful illustration.
825
 
 
826
 
                   +-----------+-----------+----------+
827
 
                   |  input 1  |  input 2  |  output  |
828
 
                   +-----------+-----------+----------+
829
 
                   |     0     |     0     |     0    |
830
 
                   |     0     |     1     |     1    |
831
 
                   |     1     |     0     |     1    |
832
 
                   |     1     |     1     |     0    |
833
 
                   +-----------+-----------+----------+
834
 
 
835
 
   If inputs 1 and 2 are uncorrelated and combined in this fashion then
836
 
   the output will be an even better (less skewed) random bit than the
837
 
   inputs.  If we assume an "eccentricity" e as defined in Section 5.2
838
 
   above, then the output eccentricity relates to the input eccentricity
839
 
 
840
 
 
841
 
 
842
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 15]
843
 
 
844
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
845
 
 
846
 
 
847
 
   as follows:
848
 
 
849
 
        e       = 2 * e        * e
850
 
         output        input 1    input 2
851
 
 
852
 
   Since e is never greater than 1/2, the eccentricity is always
853
 
   improved except in the case where at least one input is a totally
854
 
   skewed constant.  This is illustrated in the following table where
855
 
   the top and left side values are the two input eccentricities and the
856
 
   entries are the output eccentricity:
857
 
 
858
 
     +--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
859
 
     |    e   |  0.00  |  0.10  |  0.20  |  0.30  |  0.40  |  0.50  |
860
 
     +--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
861
 
     |  0.00  |  0.00  |  0.00  |  0.00  |  0.00  |  0.00  |  0.00  |
862
 
     |  0.10  |  0.00  |  0.02  |  0.04  |  0.06  |  0.08  |  0.10  |
863
 
     |  0.20  |  0.00  |  0.04  |  0.08  |  0.12  |  0.16  |  0.20  |
864
 
     |  0.30  |  0.00  |  0.06  |  0.12  |  0.18  |  0.24  |  0.30  |
865
 
     |  0.40  |  0.00  |  0.08  |  0.16  |  0.24  |  0.32  |  0.40  |
866
 
     |  0.50  |  0.00  |  0.10  |  0.20  |  0.30  |  0.40  |  0.50  |
867
 
     +--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
868
 
 
869
 
   However, keep in mind that the above calculations assume that the
870
 
   inputs are not correlated.  If the inputs were, say, the parity of
871
 
   the number of minutes from midnight on two clocks accurate to a few
872
 
   seconds, then each might appear random if sampled at random intervals
873
 
   much longer than a minute.  Yet if they were both sampled and
874
 
   combined with xor, the result would be zero most of the time.
875
 
 
876
 
6.1.2 Stronger Mixing Functions
877
 
 
878
 
   The US Government Data Encryption Standard [DES] is an example of a
879
 
   strong mixing function for multiple bit quantities.  It takes up to
880
 
   120 bits of input (64 bits of "data" and 56 bits of "key") and
881
 
   produces 64 bits of output each of which is dependent on a complex
882
 
   non-linear function of all input bits.  Other strong encryption
883
 
   functions with this characteristic can also be used by considering
884
 
   them to mix all of their key and data input bits.
885
 
 
886
 
   Another good family of mixing functions are the "message digest" or
887
 
   hashing functions such as The US Government Secure Hash Standard
888
 
   [SHS] and the MD2, MD4, MD5 [MD2, MD4, MD5] series.  These functions
889
 
   all take an arbitrary amount of input and produce an output mixing
890
 
   all the input bits. The MD* series produce 128 bits of output and SHS
891
 
   produces 160 bits.
892
 
 
893
 
 
894
 
 
895
 
 
896
 
 
897
 
 
898
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 16]
899
 
 
900
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
901
 
 
902
 
 
903
 
   Although the message digest functions are designed for variable
904
 
   amounts of input, DES and other encryption functions can also be used
905
 
   to combine any number of inputs.  If 64 bits of output is adequate,
906
 
   the inputs can be packed into a 64 bit data quantity and successive
907
 
   56 bit keys, padding with zeros if needed, which are then used to
908
 
   successively encrypt using DES in Electronic Codebook Mode [DES
909
 
   MODES].  If more than 64 bits of output are needed, use more complex
910
 
   mixing.  For example, if inputs are packed into three quantities, A,
911
 
   B, and C, use DES to encrypt A with B as a key and then with C as a
912
 
   key to produce the 1st part of the output, then encrypt B with C and
913
 
   then A for more output and, if necessary, encrypt C with A and then B
914
 
   for yet more output.  Still more output can be produced by reversing
915
 
   the order of the keys given above to stretch things. The same can be
916
 
   done with the hash functions by hashing various subsets of the input
917
 
   data to produce multiple outputs.  But keep in mind that it is
918
 
   impossible to get more bits of "randomness" out than are put in.
919
 
 
920
 
   An example of using a strong mixing function would be to reconsider
921
 
   the case of a string of 308 bits each of which is biased 99% towards
922
 
   zero.  The parity technique given in Section 5.2.1 above reduced this
923
 
   to one bit with only a 1/1000 deviance from being equally likely a
924
 
   zero or one.  But, applying the equation for information given in
925
 
   Section 2, this 308 bit sequence has 5 bits of information in it.
926
 
   Thus hashing it with SHS or MD5 and taking the bottom 5 bits of the
927
 
   result would yield 5 unbiased random bits as opposed to the single
928
 
   bit given by calculating the parity of the string.
929
 
 
930
 
6.1.3 Diffie-Hellman as a Mixing Function
931
 
 
932
 
   Diffie-Hellman exponential key exchange is a technique that yields a
933
 
   shared secret between two parties that can be made computationally
934
 
   infeasible for a third party to determine even if they can observe
935
 
   all the messages between the two communicating parties.  This shared
936
 
   secret is a mixture of initial quantities generated by each of them
937
 
   [D-H].  If these initial quantities are random, then the shared
938
 
   secret contains the combined randomness of them both, assuming they
939
 
   are uncorrelated.
940
 
 
941
 
6.1.4 Using a Mixing Function to Stretch Random Bits
942
 
 
943
 
   While it is not necessary for a mixing function to produce the same
944
 
   or fewer bits than its inputs, mixing bits cannot "stretch" the
945
 
   amount of random unpredictability present in the inputs.  Thus four
946
 
   inputs of 32 bits each where there is 12 bits worth of
947
 
   unpredicatability (such as 4,096 equally probable values) in each
948
 
   input cannot produce more than 48 bits worth of unpredictable output.
949
 
   The output can be expanded to hundreds or thousands of bits by, for
950
 
   example, mixing with successive integers, but the clever adversary's
951
 
 
952
 
 
953
 
 
954
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 17]
955
 
 
956
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
957
 
 
958
 
 
959
 
   search space is still 2^48 possibilities.  Furthermore, mixing to
960
 
   fewer bits than are input will tend to strengthen the randomness of
961
 
   the output the way using Exclusive Or to produce one bit from two did
962
 
   above.
963
 
 
964
 
   The last table in Section 6.1.1 shows that mixing a random bit with a
965
 
   constant bit with Exclusive Or will produce a random bit.  While this
966
 
   is true, it does not provide a way to "stretch" one random bit into
967
 
   more than one.  If, for example, a random bit is mixed with a 0 and
968
 
   then with a 1, this produces a two bit sequence but it will always be
969
 
   either 01 or 10.  Since there are only two possible values, there is
970
 
   still only the one bit of original randomness.
971
 
 
972
 
6.1.5 Other Factors in Choosing a Mixing Function
973
 
 
974
 
   For local use, DES has the advantages that it has been widely tested
975
 
   for flaws, is widely documented, and is widely implemented with
976
 
   hardware and software implementations available all over the world
977
 
   including source code available by anonymous FTP.  The SHS and MD*
978
 
   family are younger algorithms which have been less tested but there
979
 
   is no particular reason to believe they are flawed.  Both MD5 and SHS
980
 
   were derived from the earlier MD4 algorithm.  They all have source
981
 
   code available by anonymous FTP [SHS, MD2, MD4, MD5].
982
 
 
983
 
   DES and SHS have been vouched for the the US National Security Agency
984
 
   (NSA) on the basis of criteria that primarily remain secret.  While
985
 
   this is the cause of much speculation and doubt, investigation of DES
986
 
   over the years has indicated that NSA involvement in modifications to
987
 
   its design, which originated with IBM, was primarily to strengthen
988
 
   it.  No concealed or special weakness has been found in DES.  It is
989
 
   almost certain that the NSA modification to MD4 to produce the SHS
990
 
   similarly strengthened the algorithm, possibly against threats not
991
 
   yet known in the public cryptographic community.
992
 
 
993
 
   DES, SHS, MD4, and MD5 are royalty free for all purposes.  MD2 has
994
 
   been freely licensed only for non-profit use in connection with
995
 
   Privacy Enhanced Mail [PEM].  Between the MD* algorithms, some people
996
 
   believe that, as with "Goldilocks and the Three Bears", MD2 is strong
997
 
   but too slow, MD4 is fast but too weak, and MD5 is just right.
998
 
 
999
 
   Another advantage of the MD* or similar hashing algorithms over
1000
 
   encryption algorithms is that they are not subject to the same
1001
 
   regulations imposed by the US Government prohibiting the unlicensed
1002
 
   export or import of encryption/decryption software and hardware.  The
1003
 
   same should be true of DES rigged to produce an irreversible hash
1004
 
   code but most DES packages are oriented to reversible encryption.
1005
 
 
1006
 
 
1007
 
 
1008
 
 
1009
 
 
1010
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 18]
1011
 
 
1012
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1013
 
 
1014
 
 
1015
 
6.2 Non-Hardware Sources of Randomness
1016
 
 
1017
 
   The best source of input for mixing would be a hardware randomness
1018
 
   such as disk drive timing affected by air turbulence, audio input
1019
 
   with thermal noise, or radioactive decay.  However, if that is not
1020
 
   available there are other possibilities.  These include system
1021
 
   clocks, system or input/output buffers, user/system/hardware/network
1022
 
   serial numbers and/or addresses and timing, and user input.
1023
 
   Unfortunately, any of these sources can produce limited or
1024
 
   predicatable values under some circumstances.
1025
 
 
1026
 
   Some of the sources listed above would be quite strong on multi-user
1027
 
   systems where, in essence, each user of the system is a source of
1028
 
   randomness.  However, on a small single user system, such as a
1029
 
   typical IBM PC or Apple Macintosh, it might be possible for an
1030
 
   adversary to assemble a similar configuration.  This could give the
1031
 
   adversary inputs to the mixing process that were sufficiently
1032
 
   correlated to those used originally as to make exhaustive search
1033
 
   practical.
1034
 
 
1035
 
   The use of multiple random inputs with a strong mixing function is
1036
 
   recommended and can overcome weakness in any particular input.  For
1037
 
   example, the timing and content of requested "random" user keystrokes
1038
 
   can yield hundreds of random bits but conservative assumptions need
1039
 
   to be made.  For example, assuming a few bits of randomness if the
1040
 
   inter-keystroke interval is unique in the sequence up to that point
1041
 
   and a similar assumption if the key hit is unique but assuming that
1042
 
   no bits of randomness are present in the initial key value or if the
1043
 
   timing or key value duplicate previous values.  The results of mixing
1044
 
   these timings and characters typed could be further combined with
1045
 
   clock values and other inputs.
1046
 
 
1047
 
   This strategy may make practical portable code to produce good random
1048
 
   numbers for security even if some of the inputs are very weak on some
1049
 
   of the target systems.  However, it may still fail against a high
1050
 
   grade attack on small single user systems, especially if the
1051
 
   adversary has ever been able to observe the generation process in the
1052
 
   past.  A hardware based random source is still preferable.
1053
 
 
1054
 
6.3 Cryptographically Strong Sequences
1055
 
 
1056
 
   In cases where a series of random quantities must be generated, an
1057
 
   adversary may learn some values in the sequence.  In general, they
1058
 
   should not be able to predict other values from the ones that they
1059
 
   know.
1060
 
 
1061
 
 
1062
 
 
1063
 
 
1064
 
 
1065
 
 
1066
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 19]
1067
 
 
1068
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1069
 
 
1070
 
 
1071
 
   The correct technique is to start with a strong random seed, take
1072
 
   cryptographically strong steps from that seed [CRYPTO2, CRYPTO3], and
1073
 
   do not reveal the complete state of the generator in the sequence
1074
 
   elements.  If each value in the sequence can be calculated in a fixed
1075
 
   way from the previous value, then when any value is compromised, all
1076
 
   future values can be determined.  This would be the case, for
1077
 
   example, if each value were a constant function of the previously
1078
 
   used values, even if the function were a very strong, non-invertible
1079
 
   message digest function.
1080
 
 
1081
 
   It should be noted that if your technique for generating a sequence
1082
 
   of key values is fast enough, it can trivially be used as the basis
1083
 
   for a confidentiality system.  If two parties use the same sequence
1084
 
   generating technique and start with the same seed material, they will
1085
 
   generate identical sequences.  These could, for example, be xor'ed at
1086
 
   one end with data being send, encrypting it, and xor'ed with this
1087
 
   data as received, decrypting it due to the reversible properties of
1088
 
   the xor operation.
1089
 
 
1090
 
6.3.1 Traditional Strong Sequences
1091
 
 
1092
 
   A traditional way to achieve a strong sequence has been to have the
1093
 
   values be produced by hashing the quantities produced by
1094
 
   concatenating the seed with successive integers or the like and then
1095
 
   mask the values obtained so as to limit the amount of generator state
1096
 
   available to the adversary.
1097
 
 
1098
 
   It may also be possible to use an "encryption" algorithm with a
1099
 
   random key and seed value to encrypt and feedback some or all of the
1100
 
   output encrypted value into the value to be encrypted for the next
1101
 
   iteration.  Appropriate feedback techniques will usually be
1102
 
   recommended with the encryption algorithm.  An example is shown below
1103
 
   where shifting and masking are used to combine the cypher output
1104
 
   feedback.  This type of feedback is recommended by the US Government
1105
 
   in connection with DES [DES MODES].
1106
 
 
1107
 
 
1108
 
 
1109
 
 
1110
 
 
1111
 
 
1112
 
 
1113
 
 
1114
 
 
1115
 
 
1116
 
 
1117
 
 
1118
 
 
1119
 
 
1120
 
 
1121
 
 
1122
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 20]
1123
 
 
1124
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1125
 
 
1126
 
 
1127
 
      +---------------+
1128
 
      |       V       |
1129
 
      |  |     n      |
1130
 
      +--+------------+
1131
 
            |      |           +---------+
1132
 
            |      +---------> |         |      +-----+
1133
 
         +--+                  | Encrypt | <--- | Key |
1134
 
         |           +-------- |         |      +-----+
1135
 
         |           |         +---------+
1136
 
         V           V
1137
 
      +------------+--+
1138
 
      |      V     |  |
1139
 
      |       n+1     |
1140
 
      +---------------+
1141
 
 
1142
 
   Note that if a shift of one is used, this is the same as the shift
1143
 
   register technique described in Section 3 above but with the all
1144
 
   important difference that the feedback is determined by a complex
1145
 
   non-linear function of all bits rather than a simple linear or
1146
 
   polynomial combination of output from a few bit position taps.
1147
 
 
1148
 
   It has been shown by Donald W. Davies that this sort of shifted
1149
 
   partial output feedback significantly weakens an algorithm compared
1150
 
   will feeding all of the output bits back as input.  In particular,
1151
 
   for DES, repeated encrypting a full 64 bit quantity will give an
1152
 
   expected repeat in about 2^63 iterations.  Feeding back anything less
1153
 
   than 64 (and more than 0) bits will give an expected repeat in
1154
 
   between 2**31 and 2**32 iterations!
1155
 
 
1156
 
   To predict values of a sequence from others when the sequence was
1157
 
   generated by these techniques is equivalent to breaking the
1158
 
   cryptosystem or inverting the "non-invertible" hashing involved with
1159
 
   only partial information available.  The less information revealed
1160
 
   each iteration, the harder it will be for an adversary to predict the
1161
 
   sequence.  Thus it is best to use only one bit from each value.  It
1162
 
   has been shown that in some cases this makes it impossible to break a
1163
 
   system even when the cryptographic system is invertible and can be
1164
 
   broken if all of each generated value was revealed.
1165
 
 
1166
 
6.3.2 The Blum Blum Shub Sequence Generator
1167
 
 
1168
 
   Currently the generator which has the strongest public proof of
1169
 
   strength is called the Blum Blum Shub generator after its inventors
1170
 
   [BBS].  It is also very simple and is based on quadratic residues.
1171
 
   It's only disadvantage is that is is computationally intensive
1172
 
   compared with the traditional techniques give in 6.3.1 above.  This
1173
 
   is not a serious draw back if it is used for moderately infrequent
1174
 
   purposes, such as generating session keys.
1175
 
 
1176
 
 
1177
 
 
1178
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 21]
1179
 
 
1180
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1181
 
 
1182
 
 
1183
 
   Simply choose two large prime numbers, say p and q, which both have
1184
 
   the property that you get a remainder of 3 if you divide them by 4.
1185
 
   Let n = p * q.  Then you choose a random number x relatively prime to
1186
 
   n.  The initial seed for the generator and the method for calculating
1187
 
   subsequent values are then
1188
 
 
1189
 
                   2
1190
 
        s    =  ( x  )(Mod n)
1191
 
         0
1192
 
 
1193
 
                   2
1194
 
        s    = ( s   )(Mod n)
1195
 
         i+1      i
1196
 
 
1197
 
   You must be careful to use only a few bits from the bottom of each s.
1198
 
   It is always safe to use only the lowest order bit.  If you use no
1199
 
   more than the
1200
 
 
1201
 
                  log  ( log  ( s  ) )
1202
 
                     2      2    i
1203
 
 
1204
 
   low order bits, then predicting any additional bits from a sequence
1205
 
   generated in this manner is provable as hard as factoring n.  As long
1206
 
   as the initial x is secret, you can even make n public if you want.
1207
 
 
1208
 
   An intersting characteristic of this generator is that you can
1209
 
   directly calculate any of the s values.  In particular
1210
 
 
1211
 
                     i
1212
 
               ( ( 2  )(Mod (( p - 1 ) * ( q - 1 )) ) )
1213
 
      s  = ( s                                          )(Mod n)
1214
 
       i      0
1215
 
 
1216
 
   This means that in applications where many keys are generated in this
1217
 
   fashion, it is not necessary to save them all.  Each key can be
1218
 
   effectively indexed and recovered from that small index and the
1219
 
   initial s and n.
1220
 
 
1221
 
7. Key Generation Standards
1222
 
 
1223
 
   Several public standards are now in place for the generation of keys.
1224
 
   Two of these are described below.  Both use DES but any equally
1225
 
   strong or stronger mixing function could be substituted.
1226
 
 
1227
 
 
1228
 
 
1229
 
 
1230
 
 
1231
 
 
1232
 
 
1233
 
 
1234
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 22]
1235
 
 
1236
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1237
 
 
1238
 
 
1239
 
7.1 US DoD Recommendations for Password Generation
1240
 
 
1241
 
   The United States Department of Defense has specific recommendations
1242
 
   for password generation [DoD].  They suggest using the US Data
1243
 
   Encryption Standard [DES] in Output Feedback Mode [DES MODES] as
1244
 
   follows:
1245
 
 
1246
 
        use an initialization vector determined from
1247
 
             the system clock,
1248
 
             system ID,
1249
 
             user ID, and
1250
 
             date and time;
1251
 
        use a key determined from
1252
 
             system interrupt registers,
1253
 
             system status registers, and
1254
 
             system counters; and,
1255
 
        as plain text, use an external randomly generated 64 bit
1256
 
        quantity such as 8 characters typed in by a system
1257
 
        administrator.
1258
 
 
1259
 
   The password can then be calculated from the 64 bit "cipher text"
1260
 
   generated in 64-bit Output Feedback Mode.  As many bits as are needed
1261
 
   can be taken from these 64 bits and expanded into a pronounceable
1262
 
   word, phrase, or other format if a human being needs to remember the
1263
 
   password.
1264
 
 
1265
 
7.2 X9.17 Key Generation
1266
 
 
1267
 
   The American National Standards Institute has specified a method for
1268
 
   generating a sequence of keys as follows:
1269
 
 
1270
 
        s  is the initial 64 bit seed
1271
 
         0
1272
 
 
1273
 
        g  is the sequence of generated 64 bit key quantities
1274
 
         n
1275
 
 
1276
 
        k is a random key reserved for generating this key sequence
1277
 
 
1278
 
        t is the time at which a key is generated to as fine a resolution
1279
 
            as is available (up to 64 bits).
1280
 
 
1281
 
        DES ( K, Q ) is the DES encryption of quantity Q with key K
1282
 
 
1283
 
 
1284
 
 
1285
 
 
1286
 
 
1287
 
 
1288
 
 
1289
 
 
1290
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 23]
1291
 
 
1292
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1293
 
 
1294
 
 
1295
 
        g    = DES ( k, DES ( k, t ) .xor. s  )
1296
 
         n                                  n
1297
 
 
1298
 
        s    = DES ( k, DES ( k, t ) .xor. g  )
1299
 
         n+1                                n
1300
 
 
1301
 
   If g sub n is to be used as a DES key, then every eighth bit should
1302
 
   be adjusted for parity for that use but the entire 64 bit unmodified
1303
 
   g should be used in calculating the next s.
1304
 
 
1305
 
8. Examples of Randomness Required
1306
 
 
1307
 
   Below are two examples showing rough calculations of needed
1308
 
   randomness for security.  The first is for moderate security
1309
 
   passwords while the second assumes a need for a very high security
1310
 
   cryptographic key.
1311
 
 
1312
 
8.1  Password Generation
1313
 
 
1314
 
   Assume that user passwords change once a year and it is desired that
1315
 
   the probability that an adversary could guess the password for a
1316
 
   particular account be less than one in a thousand.  Further assume
1317
 
   that sending a password to the system is the only way to try a
1318
 
   password.  Then the crucial question is how often an adversary can
1319
 
   try possibilities.  Assume that delays have been introduced into a
1320
 
   system so that, at most, an adversary can make one password try every
1321
 
   six seconds.  That's 600 per hour or about 15,000 per day or about
1322
 
   5,000,000 tries in a year.  Assuming any sort of monitoring, it is
1323
 
   unlikely someone could actually try continuously for a year.  In
1324
 
   fact, even if log files are only checked monthly, 500,000 tries is
1325
 
   more plausible before the attack is noticed and steps taken to change
1326
 
   passwords and make it harder to try more passwords.
1327
 
 
1328
 
   To have a one in a thousand chance of guessing the password in
1329
 
   500,000 tries implies a universe of at least 500,000,000 passwords or
1330
 
   about 2^29.  Thus 29 bits of randomness are needed. This can probably
1331
 
   be achieved using the US DoD recommended inputs for password
1332
 
   generation as it has 8 inputs which probably average over 5 bits of
1333
 
   randomness each (see section 7.1).  Using a list of 1000 words, the
1334
 
   password could be expressed as a three word phrase (1,000,000,000
1335
 
   possibilities) or, using case insensitive letters and digits, six
1336
 
   would suffice ((26+10)^6 = 2,176,782,336 possibilities).
1337
 
 
1338
 
   For a higher security password, the number of bits required goes up.
1339
 
   To decrease the probability by 1,000 requires increasing the universe
1340
 
   of passwords by the same factor which adds about 10 bits.  Thus to
1341
 
   have only a one in a million chance of a password being guessed under
1342
 
   the above scenario would require 39 bits of randomness and a password
1343
 
 
1344
 
 
1345
 
 
1346
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 24]
1347
 
 
1348
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1349
 
 
1350
 
 
1351
 
   that was a four word phrase from a 1000 word list or eight
1352
 
   letters/digits.  To go to a one in 10^9 chance, 49 bits of randomness
1353
 
   are needed implying a five word phrase or ten letter/digit password.
1354
 
 
1355
 
   In a real system, of course, there are also other factors.  For
1356
 
   example, the larger and harder to remember passwords are, the more
1357
 
   likely users are to write them down resulting in an additional risk
1358
 
   of compromise.
1359
 
 
1360
 
8.2 A Very High Security Cryptographic Key
1361
 
 
1362
 
   Assume that a very high security key is needed for symmetric
1363
 
   encryption / decryption between two parties.  Assume an adversary can
1364
 
   observe communications and knows the algorithm being used.  Within
1365
 
   the field of random possibilities, the adversary can try key values
1366
 
   in hopes of finding the one in use.  Assume further that brute force
1367
 
   trial of keys is the best the adversary can do.
1368
 
 
1369
 
8.2.1 Effort per Key Trial
1370
 
 
1371
 
   How much effort will it take to try each key?  For very high security
1372
 
   applications it is best to assume a low value of effort.  Even if it
1373
 
   would clearly take tens of thousands of computer cycles or more to
1374
 
   try a single key, there may be some pattern that enables huge blocks
1375
 
   of key values to be tested with much less effort per key.  Thus it is
1376
 
   probably best to assume no more than a couple hundred cycles per key.
1377
 
   (There is no clear lower bound on this as computers operate in
1378
 
   parallel on a number of bits and a poor encryption algorithm could
1379
 
   allow many keys or even groups of keys to be tested in parallel.
1380
 
   However, we need to assume some value and can hope that a reasonably
1381
 
   strong algorithm has been chosen for our hypothetical high security
1382
 
   task.)
1383
 
 
1384
 
   If the adversary can command a highly parallel processor or a large
1385
 
   network of work stations, 2*10^10 cycles per second is probably a
1386
 
   minimum assumption for availability today.  Looking forward just a
1387
 
   couple years, there should be at least an order of magnitude
1388
 
   improvement.  Thus assuming 10^9 keys could be checked per second or
1389
 
   3.6*10^11 per hour or 6*10^13 per week or 2.4*10^14 per month is
1390
 
   reasonable.  This implies a need for a minimum of 51 bits of
1391
 
   randomness in keys to be sure they cannot be found in a month.  Even
1392
 
   then it is possible that, a few years from now, a highly determined
1393
 
   and resourceful adversary could break the key in 2 weeks (on average
1394
 
   they need try only half the keys).
1395
 
 
1396
 
 
1397
 
 
1398
 
 
1399
 
 
1400
 
 
1401
 
 
1402
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 25]
1403
 
 
1404
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1405
 
 
1406
 
 
1407
 
8.2.2 Meet in the Middle Attacks
1408
 
 
1409
 
   If chosen or known plain text and the resulting encrypted text are
1410
 
   available, a "meet in the middle" attack is possible if the structure
1411
 
   of the encryption algorithm allows it.  (In a known plain text
1412
 
   attack, the adversary knows all or part of the messages being
1413
 
   encrypted, possibly some standard header or trailer fields.  In a
1414
 
   chosen plain text attack, the adversary can force some chosen plain
1415
 
   text to be encrypted, possibly by "leaking" an exciting text that
1416
 
   would then be sent by the adversary over an encrypted channel.)
1417
 
 
1418
 
   An oversimplified explanation of the meet in the middle attack is as
1419
 
   follows: the adversary can half-encrypt the known or chosen plain
1420
 
   text with all possible first half-keys, sort the output, then half-
1421
 
   decrypt the encoded text with all the second half-keys.  If a match
1422
 
   is found, the full key can be assembled from the halves and used to
1423
 
   decrypt other parts of the message or other messages.  At its best,
1424
 
   this type of attack can halve the exponent of the work required by
1425
 
   the adversary while adding a large but roughly constant factor of
1426
 
   effort.  To be assured of safety against this, a doubling of the
1427
 
   amount of randomness in the key to a minimum of 102 bits is required.
1428
 
 
1429
 
   The meet in the middle attack assumes that the cryptographic
1430
 
   algorithm can be decomposed in this way but we can not rule that out
1431
 
   without a deep knowledge of the algorithm.  Even if a basic algorithm
1432
 
   is not subject to a meet in the middle attack, an attempt to produce
1433
 
   a stronger algorithm by applying the basic algorithm twice (or two
1434
 
   different algorithms sequentially) with different keys may gain less
1435
 
   added security than would be expected.  Such a composite algorithm
1436
 
   would be subject to a meet in the middle attack.
1437
 
 
1438
 
   Enormous resources may be required to mount a meet in the middle
1439
 
   attack but they are probably within the range of the national
1440
 
   security services of a major nation.  Essentially all nations spy on
1441
 
   other nations government traffic and several nations are believed to
1442
 
   spy on commercial traffic for economic advantage.
1443
 
 
1444
 
8.2.3 Other Considerations
1445
 
 
1446
 
   Since we have not even considered the possibilities of special
1447
 
   purpose code breaking hardware or just how much of a safety margin we
1448
 
   want beyond our assumptions above, probably a good minimum for a very
1449
 
   high security cryptographic key is 128 bits of randomness which
1450
 
   implies a minimum key length of 128 bits.  If the two parties agree
1451
 
   on a key by Diffie-Hellman exchange [D-H], then in principle only
1452
 
   half of this randomness would have to be supplied by each party.
1453
 
   However, there is probably some correlation between their random
1454
 
   inputs so it is probably best to assume that each party needs to
1455
 
 
1456
 
 
1457
 
 
1458
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 26]
1459
 
 
1460
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1461
 
 
1462
 
 
1463
 
   provide at least 96 bits worth of randomness for very high security
1464
 
   if Diffie-Hellman is used.
1465
 
 
1466
 
   This amount of randomness is beyond the limit of that in the inputs
1467
 
   recommended by the US DoD for password generation and could require
1468
 
   user typing timing, hardware random number generation, or other
1469
 
   sources.
1470
 
 
1471
 
   It should be noted that key length calculations such at those above
1472
 
   are controversial and depend on various assumptions about the
1473
 
   cryptographic algorithms in use.  In some cases, a professional with
1474
 
   a deep knowledge of code breaking techniques and of the strength of
1475
 
   the algorithm in use could be satisfied with less than half of the
1476
 
   key size derived above.
1477
 
 
1478
 
9. Conclusion
1479
 
 
1480
 
   Generation of unguessable "random" secret quantities for security use
1481
 
   is an essential but difficult task.
1482
 
 
1483
 
   We have shown that hardware techniques to produce such randomness
1484
 
   would be relatively simple.  In particular, the volume and quality
1485
 
   would not need to be high and existing computer hardware, such as
1486
 
   disk drives, can be used.  Computational techniques are available to
1487
 
   process low quality random quantities from multiple sources or a
1488
 
   larger quantity of such low quality input from one source and produce
1489
 
   a smaller quantity of higher quality, less predictable key material.
1490
 
   In the absence of hardware sources of randomness, a variety of user
1491
 
   and software sources can frequently be used instead with care;
1492
 
   however, most modern systems already have hardware, such as disk
1493
 
   drives or audio input, that could be used to produce high quality
1494
 
   randomness.
1495
 
 
1496
 
   Once a sufficient quantity of high quality seed key material (a few
1497
 
   hundred bits) is available, strong computational techniques are
1498
 
   available to produce cryptographically strong sequences of
1499
 
   unpredicatable quantities from this seed material.
1500
 
 
1501
 
10. Security Considerations
1502
 
 
1503
 
   The entirety of this document concerns techniques and recommendations
1504
 
   for generating unguessable "random" quantities for use as passwords,
1505
 
   cryptographic keys, and similar security uses.
1506
 
 
1507
 
 
1508
 
 
1509
 
 
1510
 
 
1511
 
 
1512
 
 
1513
 
 
1514
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 27]
1515
 
 
1516
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1517
 
 
1518
 
 
1519
 
References
1520
 
 
1521
 
   [ASYMMETRIC] - Secure Communications and Asymmetric Cryptosystems,
1522
 
   edited by Gustavus J. Simmons, AAAS Selected Symposium 69, Westview
1523
 
   Press, Inc.
1524
 
 
1525
 
   [BBS] - A Simple Unpredictable Pseudo-Random Number Generator, SIAM
1526
 
   Journal on Computing, v. 15, n. 2, 1986, L. Blum, M. Blum, & M. Shub.
1527
 
 
1528
 
   [BRILLINGER] - Time Series: Data Analysis and Theory, Holden-Day,
1529
 
   1981, David Brillinger.
1530
 
 
1531
 
   [CRC] - C.R.C. Standard Mathematical Tables, Chemical Rubber
1532
 
   Publishing Company.
1533
 
 
1534
 
   [CRYPTO1] - Cryptography: A Primer, A Wiley-Interscience Publication,
1535
 
   John Wiley & Sons, 1981, Alan G. Konheim.
1536
 
 
1537
 
   [CRYPTO2] - Cryptography:  A New Dimension in Computer Data Security,
1538
 
   A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, 1982, Carl H.
1539
 
   Meyer & Stephen M. Matyas.
1540
 
 
1541
 
   [CRYPTO3] - Applied Cryptography: Protocols, Algorithms, and Source
1542
 
   Code in C, John Wiley & Sons, 1994, Bruce Schneier.
1543
 
 
1544
 
   [DAVIS] - Cryptographic Randomness from Air Turbulence in Disk
1545
 
   Drives, Advances in Cryptology - Crypto '94, Springer-Verlag Lecture
1546
 
   Notes in Computer Science #839, 1984, Don Davis, Ross Ihaka, and
1547
 
   Philip Fenstermacher.
1548
 
 
1549
 
   [DES] -  Data Encryption Standard, United States of America,
1550
 
   Department of Commerce, National Institute of Standards and
1551
 
   Technology, Federal Information Processing Standard (FIPS) 46-1.
1552
 
   - Data Encryption Algorithm, American National Standards Institute,
1553
 
   ANSI X3.92-1981.
1554
 
   (See also FIPS 112, Password Usage, which includes FORTRAN code for
1555
 
   performing DES.)
1556
 
 
1557
 
   [DES MODES] - DES Modes of Operation, United States of America,
1558
 
   Department of Commerce, National Institute of Standards and
1559
 
   Technology, Federal Information Processing Standard (FIPS) 81.
1560
 
   - Data Encryption Algorithm - Modes of Operation, American National
1561
 
   Standards Institute, ANSI X3.106-1983.
1562
 
 
1563
 
   [D-H] - New Directions in Cryptography, IEEE Transactions on
1564
 
   Information Technology, November, 1976, Whitfield Diffie and Martin
1565
 
   E. Hellman.
1566
 
 
1567
 
 
1568
 
 
1569
 
 
1570
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 28]
1571
 
 
1572
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1573
 
 
1574
 
 
1575
 
   [DoD] - Password Management Guideline, United States of America,
1576
 
   Department of Defense, Computer Security Center, CSC-STD-002-85.
1577
 
   (See also FIPS 112, Password Usage, which incorporates CSC-STD-002-85
1578
 
   as one of its appendices.)
1579
 
 
1580
 
   [GIFFORD] - Natural Random Number, MIT/LCS/TM-371, September 1988,
1581
 
   David K. Gifford
1582
 
 
1583
 
   [KNUTH] - The Art of Computer Programming, Volume 2: Seminumerical
1584
 
   Algorithms, Chapter 3: Random Numbers. Addison Wesley Publishing
1585
 
   Company, Second Edition 1982, Donald E. Knuth.
1586
 
 
1587
 
   [KRAWCZYK] - How to Predict Congruential Generators, Journal of
1588
 
   Algorithms, V. 13, N. 4, December 1992, H. Krawczyk
1589
 
 
1590
 
   [MD2] - The MD2 Message-Digest Algorithm, RFC1319, April 1992, B.
1591
 
   Kaliski
1592
 
   [MD4] - The MD4 Message-Digest Algorithm, RFC1320, April 1992, R.
1593
 
   Rivest
1594
 
   [MD5] - The MD5 Message-Digest Algorithm, RFC1321, April 1992, R.
1595
 
   Rivest
1596
 
 
1597
 
   [PEM] - RFCs 1421 through 1424:
1598
 
   - RFC 1424, Privacy Enhancement for Internet Electronic Mail: Part
1599
 
   IV: Key Certification and Related Services, 02/10/1993, B. Kaliski
1600
 
   - RFC 1423, Privacy Enhancement for Internet Electronic Mail: Part
1601
 
   III: Algorithms, Modes, and Identifiers, 02/10/1993, D. Balenson
1602
 
   - RFC 1422, Privacy Enhancement for Internet Electronic Mail: Part
1603
 
   II: Certificate-Based Key Management, 02/10/1993, S. Kent
1604
 
   - RFC 1421, Privacy Enhancement for Internet Electronic Mail: Part I:
1605
 
   Message Encryption and Authentication Procedures, 02/10/1993, J. Linn
1606
 
 
1607
 
   [SHANNON] - The Mathematical Theory of Communication, University of
1608
 
   Illinois Press, 1963, Claude E. Shannon.  (originally from:  Bell
1609
 
   System Technical Journal, July and October 1948)
1610
 
 
1611
 
   [SHIFT1] - Shift Register Sequences, Aegean Park Press, Revised
1612
 
   Edition 1982, Solomon W. Golomb.
1613
 
 
1614
 
   [SHIFT2] - Cryptanalysis of Shift-Register Generated Stream Cypher
1615
 
   Systems, Aegean Park Press, 1984, Wayne G. Barker.
1616
 
 
1617
 
   [SHS] - Secure Hash Standard, United States of American, National
1618
 
   Institute of Science and Technology, Federal Information Processing
1619
 
   Standard (FIPS) 180, April 1993.
1620
 
 
1621
 
   [STERN] - Secret Linear Congruential Generators are not
1622
 
   Cryptograhically Secure, Proceedings of IEEE STOC, 1987, J. Stern.
1623
 
 
1624
 
 
1625
 
 
1626
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 29]
1627
 
 
1628
 
RFC 1750        Randomness Recommendations for Security    December 1994
1629
 
 
1630
 
 
1631
 
   [VON NEUMANN] - Various techniques used in connection with random
1632
 
   digits, von Neumann's Collected Works, Vol. 5, Pergamon Press, 1963,
1633
 
   J. von Neumann.
1634
 
 
1635
 
Authors' Addresses
1636
 
 
1637
 
   Donald E. Eastlake 3rd
1638
 
   Digital Equipment Corporation
1639
 
   550 King Street, LKG2-1/BB3
1640
 
   Littleton, MA 01460
1641
 
 
1642
 
   Phone:   +1 508 486 6577(w)  +1 508 287 4877(h)
1643
 
   EMail:   dee@lkg.dec.com
1644
 
 
1645
 
 
1646
 
   Stephen D. Crocker
1647
 
   CyberCash Inc.
1648
 
   2086 Hunters Crest Way
1649
 
   Vienna, VA 22181
1650
 
 
1651
 
   Phone:   +1 703-620-1222(w)  +1 703-391-2651 (fax)
1652
 
   EMail:   crocker@cybercash.com
1653
 
 
1654
 
 
1655
 
   Jeffrey I. Schiller
1656
 
   Massachusetts Institute of Technology
1657
 
   77 Massachusetts Avenue
1658
 
   Cambridge, MA 02139
1659
 
 
1660
 
   Phone:   +1 617 253 0161(w)
1661
 
   EMail:   jis@mit.edu
1662
 
 
1663
 
 
1664
 
 
1665
 
 
1666
 
 
1667
 
 
1668
 
 
1669
 
 
1670
 
 
1671
 
 
1672
 
 
1673
 
 
1674
 
 
1675
 
 
1676
 
 
1677
 
 
1678
 
 
1679
 
 
1680
 
 
1681
 
 
1682
 
Eastlake, Crocker & Schiller                                   [Page 30]
1683