remove gcc34
[dragonfly.git] / crypto / heimdal-0.6.3 / doc / standardisation / rfc1750.txt
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f
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 \f