一種物理性隨機數(shù)發(fā)生器及真隨機數(shù)的生成方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種物理性隨機數(shù)發(fā)生器，及真隨機數(shù)的生成方法，該裝置包括水槽(由側(cè)板、底板組成)、液體、反射罩、CCD芯片、電燈、控制器、浮球、彈簧、旋轉(zhuǎn)軸、電動機等，其中浮球通過彈簧與旋轉(zhuǎn)軸連接，底板用透明的材料制作，CCD芯片位于底板的下方。該裝置生成隨機數(shù)的方法是，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，浮球從液體表面掠過，對液體加以擾動，液體的表面會發(fā)生復(fù)雜而難以預(yù)測的變化，而對該液體進行照射時，液體表面的微小變化，就會導(dǎo)致光線折射、反射方向的巨大變化，故照射到CCD芯片上的光線的強度會發(fā)生不規(guī)則的變化，CCD芯片將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終輸出即為真隨機序列。該裝置的生成隨機數(shù)的效率較高，成本較低。
【專利說明】一種物理性隨機數(shù)發(fā)生器及真隨機數(shù)的生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種隨機數(shù)發(fā)生器及隨機數(shù)的生成方法，具體地說，是一種物理性隨機數(shù)發(fā)生器及真隨機數(shù)的生成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在密碼技術(shù)中，隨機數(shù)的生成是極為重要的，它往往是生成密鑰、口令的基礎(chǔ)。而隨機數(shù)發(fā)生器，分為偽隨機數(shù)發(fā)生器、真隨機數(shù)發(fā)生器2類。
[0003]而以往的隨機數(shù)發(fā)生器，往往是偽隨機數(shù)發(fā)生器，例如常見的rand()，每次運行的結(jié)果都是一樣的。雖然在實際中人們使用的隨機數(shù)發(fā)生器，比randO復(fù)雜，但它們往往都是偽隨機數(shù)發(fā)生器，其生成的結(jié)果是偽隨機的。事實上，任何基于計算機的算法的隨機數(shù)發(fā)生器，都是偽隨機數(shù)發(fā)生器，故它們是有規(guī)律可循的，理論上是可破解的。
[0004]以往也有一些真隨機數(shù)的生成方法，比如擲錢幣、擲骰子、轉(zhuǎn)輪、使用電子元件的熱噪音、核裂變、混沌激光、混沌電路等。這樣的隨機數(shù)發(fā)生器叫做物理性隨機數(shù)發(fā)生器，它們的缺點是技術(shù)要求比較高。使用電子元件的熱噪音來生成隨機數(shù)，成本相對較低，但其生成效率(碼率)較低。使用混沌激光來生成隨機數(shù)，生成效率較高，但成本較高。
[0005]而多種以往所謂的真隨機源，事實上生成的并不是真隨機數(shù)，例如，使用混沌激光生成的隨機數(shù)，雖然使用計算機難以算出，但是如果對另一個激光器設(shè)置相同的初始條件，就可產(chǎn)生相同的信號。在各種真隨機源被深入研究并被深入了解后，它們都可能不再是安全的(不再是不可破解的)，故尋找新的真隨機源，是非常重要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了提高真隨機數(shù)的生成效率、降低生成真隨機數(shù)的成本，本發(fā)明提出了一種新的生成真隨機數(shù)的裝置和方法。
[0007]本發(fā)明是基于這樣的一種物理現(xiàn)象而提出的:當(dāng)液體被擾動，液體的表面就會發(fā)生復(fù)雜而難以預(yù)測的變化，而對該液體進行照射時，液體表面的微小變化，就會導(dǎo)致光線折射、反射方向的巨大變化。其具體方法是:使用葉片、浮球等對液體進行擾動，并對該液體進行照射，在液體底部設(shè)置CCD芯片，就可將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這種數(shù)字信號就是隨機性很好的數(shù)據(jù)。這是一種新的生成隨機數(shù)的方法，我們還可接續(xù)這一發(fā)明，著手進行進一步的研究。
[0008]該裝置的結(jié)構(gòu)是這樣的(參見圖1、圖2、圖3):它包括有一個水槽(由側(cè)板、底板組成)，水槽的底板下設(shè)一 CCD芯片，水槽上有一反射罩。反射罩上安裝一個電燈。反射罩上還安裝一至多個對液體進行擾動的系統(tǒng)(包括旋轉(zhuǎn)葉片、浮球、彈簧、旋轉(zhuǎn)軸、電動機等，以下簡稱擾動系統(tǒng))。
[0009]以下對該裝置進行詳細介紹。
[0010]該水槽的側(cè)板，形狀是不規(guī)則的，不是常見的圓形、方形等，制作時，可手工敲擊，以形成不確定的、唯一的形狀?？稍谄鋬?nèi)表面再貼上反光布等反光材料，或在其內(nèi)表面鍍上招、銀等材料，以提聞反射光線的能力。
[0011]水槽的底板，為玻璃等透明材料。
[0012]水槽的底板下設(shè)一 CCD芯片，它可將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)可直接輸出，也可先保存在存儲器中，到需要時再輸出。也可以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再使用一定的加密算法，進行變換，再將變換的結(jié)果輸出，這樣數(shù)據(jù)的隨機性會更強，更難攻擊。CCD芯片，通常小于底板。在底板下方與CCD芯片不接觸的部分，可貼上反光材料，以提高反射光線的能力。
[0013]水槽上設(shè)一反射罩，其形狀也是不規(guī)則的，并可手工敲擊，產(chǎn)生不規(guī)則的凹凸。反射罩，可用鋁、不銹鋼等反射光線能力較強的材料制作，也可在其內(nèi)表面再貼上反光布等反光材料，或在其內(nèi)表面鍍上鋁、銀等材料，以提高反射光線的能力。
[0014]反射罩上設(shè)一電燈，為增加數(shù)據(jù)的隨機性，其電流可由控制器控制，使電流不規(guī)則變化，故亮度會不規(guī)則變化。
[0015]擾動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸上有一電動機，為增加數(shù)據(jù)的隨機性，其電流也可由控制器控制，控制器內(nèi)置特定算法，使電流不規(guī)則變化。
[0016]擾動系統(tǒng)的彈簧、浮球，可用透明或半透明的材料制作，以便于透光。而該彈簧可以是金屬彈簧，也可是塑料彈簧等；可以是普通的螺旋彈簧，也可是片彈簧等。而由于浮球是通過彈簧與旋轉(zhuǎn)軸連接的，故隨著旋轉(zhuǎn)速度的變化，浮球的線速度、角速度、旋轉(zhuǎn)半徑也發(fā)生不規(guī)則變化。制作浮球時，也可手工敲擊，使其形狀不確定。
[0017]擾動系統(tǒng)也可使用旋轉(zhuǎn)葉片對液體進行擾動，制作旋轉(zhuǎn)葉片時，也可手工敲擊，使其形狀不確定。
[0018]反射罩上設(shè)一注液口，底板上設(shè)一排液口(平時用塞子密封，在清洗內(nèi)壁等情況下用于排空液體)。還可加裝一個連通器，用以觀察液位，通?？捎貌Ａе谱?，且可在加足液體的位置做標記，以便于加注液體。
[0019]擾動系統(tǒng)可以安裝在反射罩的正中間，旋轉(zhuǎn)軸可以是垂直的。擾動系統(tǒng)也可安裝在其他的位置，其旋轉(zhuǎn)軸的方向也可是傾斜的(參見圖3)，也可是任何其他的方向。旋轉(zhuǎn)軸與電動機的轉(zhuǎn)子直接相連或通過傳動裝置相連。若旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸，設(shè)于浮球的旋轉(zhuǎn)軸的下方，為使電動機不浸沒于液體中，可通過傳動裝置來給旋轉(zhuǎn)葉片，及其旋轉(zhuǎn)軸，提供動力。若旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸，與浮球的旋轉(zhuǎn)軸一樣，都置液體的上方，為避免，浮球的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，彈簧碰到旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸，可將浮球的旋轉(zhuǎn)軸制作成桶形，將旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸，置于浮球的旋轉(zhuǎn)軸之中。而這些方法，是本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于想到的，故不再贅述。
[0020]而浮球與旋轉(zhuǎn)葉片，也可安裝在同一個旋轉(zhuǎn)軸上。
[0021 ] 此外，還可在側(cè)板上，或液體中，設(shè)置振動源，這也可極大地增加液面變化的復(fù)雜性。如果旋轉(zhuǎn)葉片是手工制作的，則擾動系統(tǒng)工作時，擾動系統(tǒng)就可能因為2個旋轉(zhuǎn)葉片不對稱而發(fā)生振動，則擾動系統(tǒng)本身就是振動源。
[0022]如果該裝置中存放的液體，是水，那么金屬構(gòu)件(例如金屬彈簧)易被腐蝕，且當(dāng)水泄露時，可能對裝置造成損壞(例如短路)，而且水會不斷揮發(fā)，越來越少。而塑料彈簧很容易老化失效，金屬彈簧則好得多。而該裝置中存放的液體，也可不是水。如果該裝置中存放的液體，是酒精，它就不會對金屬構(gòu)件造成腐蝕，也不會造成短路，但會不斷揮發(fā)，還容易引起火災(zāi)、爆炸。如果該裝置中存放的液體，是丙三醇、乙二醇苯醚等不易揮發(fā)的液體，它不會對金屬構(gòu)件造成腐蝕，也不會造成短路，也會不斷揮發(fā)，而且其粘度與水的差異較大。當(dāng)然也可采用其他種類的液體，而且可以將多種液體進行混合，甚至添加增稠劑，以改變粘度等物理特性，以增加液面變化的復(fù)雜性。而多種液體混合的比例，添加增稠劑的比例，也可隨機確定，使每一個裝置都具有唯一性，增加攻擊的難度。
[0023]該裝置的工作原理是:工作時，先向水槽中加入足夠的水(或其他液體)，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，浮球從水表面掠過，對水加以擾動，而水波遇到水槽的側(cè)板時，就會被反射，故水面會發(fā)生不規(guī)則的變化。光線照射到水面時，一部分光線會被折射，一部分光線會被反射，而光線反射到反射罩上，也會被再次反射(向多個不規(guī)則的方向)。而水面的不規(guī)則的變化，會導(dǎo)致CCD芯片上各處的光線強度，會發(fā)生不規(guī)則的變化。CCD芯片將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終輸出即為真隨機序列。這些數(shù)據(jù)可直接將其輸出，也可先保存在存儲器中，到需要時再輸出。
[0024]由于浮球的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的速度是不規(guī)則的，故浮球的線速度、角速度、旋轉(zhuǎn)半徑、運動方向會不規(guī)則變化。而反射回來的水波，也會與浮球形成的擾動相疊加。如果再增加擾動葉片，水面的變化就會更為復(fù)雜。該系統(tǒng)中，CCD芯片上的光的強度的變化情況，極為復(fù)雜(水波的綜合作用是復(fù)雜的)，即使提出一個近似的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型也是復(fù)雜的，而用該數(shù)學(xué)模型進行的運算，運算量也是巨大的，故以普通的計算機是難以對其進行模擬的，更無法對其進行精確的模擬。
[0025]該裝置的輸出隨機數(shù)的效率(碼率)，主要決定于CXD芯片的像素數(shù)，及幀率。像素數(shù)、幀率越大，輸出效率越高。為提高輸出效率，還可增加CCD芯片的數(shù)量，但這樣會使成本增加。
[0026]當(dāng)這種裝置中的CXD芯片的像素數(shù)及幀率足夠高時，這種裝置的輸出隨機數(shù)的效率(碼率)，就可超過使用電子元件的熱噪音來生成隨機數(shù)的裝置。而在使用的擾動系統(tǒng)較少、CXD芯片的像素數(shù)較低等情況下，這種裝置的成本，就可低于使用混沌激光來生成隨機數(shù)的裝置。
[0027]當(dāng)然，本發(fā)明，也可采用對另一個裝置設(shè)置相同的初始條件的方法來破解，但是，這種裝置對初始條件是極為敏感的，液體表面的微小變化，就會導(dǎo)致光線折射、反射方向的巨大變化。正因為敵手難以精確地模擬初始條件，故這種方法、裝置是難以破解的。這是本發(fā)明，與其他的所謂的真隨機源的，關(guān)鍵區(qū)別之一。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖2該裝置去除反射罩后的俯視圖
[0030]圖31-1剖面的剖視圖
[0031]其中:控制器I電動機2反射罩3注液口 4旋轉(zhuǎn)軸5浮球6彈簧7旋轉(zhuǎn)葉片8 C⑶芯片9側(cè)板10電燈11底板12塞子13反光材料14存儲器15排液口 16連通器17

【具體實施方式】
[0032]在實際應(yīng)用中，只要采用2個擾動系統(tǒng)，就可使輸出的數(shù)據(jù)達到很好的隨機性，而這樣的裝置成本較低。
[0033]其中一個擾動系統(tǒng)安裝在反射罩的正中間，旋轉(zhuǎn)軸是垂直的，旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個浮球，浮球與旋轉(zhuǎn)軸之間用彈簧連接。此外，該旋轉(zhuǎn)軸上再安裝一對旋轉(zhuǎn)葉片。
[0034]而另一個擾動系統(tǒng)不安裝在反射罩的正中間,旋轉(zhuǎn)軸是傾斜的。
【權(quán)利要求】
1.一種隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是，它包括側(cè)板、底板、液體、反射罩、CCD芯片、電燈、1或多個所述的擾動系統(tǒng)、所述的控制器、所述的存儲器、1個連通器、所述的塞子，其中，底板位于側(cè)板的下方，反射罩位于側(cè)板的上方，CCD芯片位于底板的下方，電燈位于反射罩上，所述的控制器與電燈、所述的擾動系統(tǒng)連接，反射罩上設(shè)一注液口，底板上設(shè)一排液口，所述的塞子塞在排液口處，所述的連通器的下部與側(cè)板連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的擾動系統(tǒng)，其特征是，它包括浮球、彈簧、旋轉(zhuǎn)軸、電動機，其中浮球通過彈簧與旋轉(zhuǎn)軸連接，旋轉(zhuǎn)軸與電動機的轉(zhuǎn)子直接相連或通過傳動裝置相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的擾動系統(tǒng)，其特征是，其電動機安裝在反射罩上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的擾動系統(tǒng)，其特征是，它包括旋轉(zhuǎn)葉片、旋轉(zhuǎn)軸、電動機，其中旋轉(zhuǎn)葉片與旋轉(zhuǎn)軸直接相連，旋轉(zhuǎn)軸與電動機的轉(zhuǎn)子直接相連或通過傳動裝置相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的控制器，其特征是，它內(nèi)置特定算法，使電流不規(guī)則變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的底板，其特征是，它使用透明的材料制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的底板，其特征是，在底板下方與CCD芯片不接觸的部分，貼有反光材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的側(cè)板，其特征是，其內(nèi)表面貼有反光材料，或其內(nèi)表面鍍有鋁或銀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，所述的反射罩，其特征是，它用鋁或不銹鋼制作，或在其內(nèi)表面貼有反光材料，或其內(nèi)表面鍍有鋁或銀。
10.一種真隨機數(shù)的生成方法，其特征是,對液體加以擾動,并對該液體進行照射，液體下方的CCD芯片將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，CCD芯片輸出的數(shù)字信號就是需要的隨機序列。
【文檔編號】G06F7/58GK104281434SQ201310269525
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月1日
【發(fā)明者】吳寧飛 申請人:吳寧飛