[發(fā)明專利]一種物理性隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及真隨機(jī)數(shù)的生成方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310269525.0
• 申請(qǐng)日: 2013-07-01
• 公開（公告）號(hào): CN104281434A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳寧飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吳寧飛
• 主分類號(hào): G06F7/58
• 分類號(hào): G06F7/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及隨機(jī)數(shù)的生成方法，具體地說，是一種物理性隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及真隨機(jī)數(shù)的生成方法。

背景技術(shù)

在密碼技術(shù)中，隨機(jī)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(jī)數(shù)發(fā)生器，分為偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器2類。

而以往的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，往往是偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，例如常見的rand()，每次運(yùn)行的結(jié)果都是一樣的。雖然在實(shí)際中人們使用的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，比rand()復(fù)雜，但它們往往都是偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其生成的結(jié)果是偽隨機(jī)的。事實(shí)上，任何基于計(jì)算機(jī)的算法的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，都是偽隨機(jī)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。

以往也有一些真隨機(jī)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(jī)數(shù)發(fā)生器叫做物理性隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，它們的缺點(diǎn)是技術(shù)要求比較高。使用電子元件的熱噪音來生成隨機(jī)數(shù)，成本相對(duì)較低，但其生成效率(碼率)較低。使用混沌激光來生成隨機(jī)數(shù)，生成效率較高，但成本較高。

而多種以往所謂的真隨機(jī)源，事實(shí)上生成的并不是真隨機(jī)數(shù)，例如，使用混沌激光生成的隨機(jī)數(shù)，雖然使用計(jì)算機(jī)難以算出，但是如果對(duì)另一個(gè)激光器設(shè)置相同的初始條件，就可產(chǎn)生相同的信號(hào)。在各種真隨機(jī)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(jī)源，是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高真隨機(jī)數(shù)的生成效率、降低生成真隨機(jī)數(shù)的成本，本發(fā)明提出了一種新的生成真隨機(jī)數(shù)的裝置和方法。

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(dòng)，液體的表面就會(huì)發(fā)生復(fù)雜而難以預(yù)測(cè)的變化，而對(duì)該液體進(jìn)行照射時(shí)，液體表面的微小變化，就會(huì)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(duì)液體進(jìn)行擾動(dòng)，并對(duì)該液體進(jìn)行照射，在液體底部設(shè)置CCD芯片，就可將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)就是隨機(jī)性很好的數(shù)據(jù)。這是一種新的生成隨機(jī)數(shù)的方法，我們還可接續(xù)這一發(fā)明，著手進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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(gè)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(gè)電燈。反射罩上還安裝一至多個(gè)對(duì)液體進(jìn)行擾動(dòng)的系統(tǒng)(包括旋轉(zhuǎn)葉片、浮球、彈簧、旋轉(zhuǎn)軸、電動(dòng)機(jī)等，以下簡(jiǎn)稱擾動(dòng)系統(tǒng))。

以下對(duì)該裝置進(jìn)行詳細(xì)介紹。

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(shí)，可手工敲擊，以形成不確定的、唯一的形狀。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。

水槽的底板，為玻璃等透明材料。

水槽的底板下設(shè)一CCD芯片，它可將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)可直接輸出，也可先保存在存儲(chǔ)器中，到需要時(shí)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(jìn)行變換，再將變換的結(jié)果輸出，這樣數(shù)據(jù)的隨機(jī)性會(huì)更強(qiáng)，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。

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(qiáng)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。

反射罩上設(shè)一電燈，為增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，其電流可由控制器控制，使電流不規(guī)則變化，故亮度會(huì)不規(guī)則變化。

擾動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸上有一電動(dòng)機(jī)，為增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)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。

擾動(dòng)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?gòu)椈桑部墒撬芰蠌椈傻龋豢梢允瞧胀ǖ穆菪龔椈桑部墒瞧瑥椈傻取６捎诟∏蚴峭ㄟ^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(shí)，也可手工敲擊，使其形狀不確定。

擾動(dòng)系統(tǒng)也可使用旋轉(zhuǎn)葉片對(duì)液體進(jìn)行擾動(dòng)，制作旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)，也可手工敲擊，使其形狀不確定。

反射罩上設(shè)一注液口，底板上設(shè)一排液口(平時(shí)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(gè)連通器，用以觀察液位，通常可用玻璃制作，且可在加足液體的位置做標(biāo)記，以便于加注液體。