KR20210006697A - 암호 시스템을 위한 fm 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법 및 장치 - Google Patents

암호 시스템을 위한 fm 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법 및 장치가 제시된다. 본 발명에서 제안하는 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 장치는 FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되어, 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신하는 신호 수신부, FM 라디오 신호 수신부를 통해 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 난수로 활용할 데이터를 수집하는 데이터 수집부 및 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수를 발생 시키는 진성 난수 발생부를 포함한다.

Description

암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법 및 장치{Method and Apparatus for True Random Number Generation using FM Radio Signal}
본 발명은 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법 및 장치에 관한 것이다.
암호 시스템은 전송되는 정보를 안전하게 발송하고 수신하기 위하여 암/복호를 수행한다. 이러한 암/복호를 위해서는 암호 알고리즘이 중요하지만, 키 및 난수 정보도 중요하다. 이들 키 및 난수를 생성하기 위해서는 일반적으로 난수 발생기(random number generator)를 활용한다. 이러한 특징을 암호 시스템, 예를 들어 가전제품(consumer electronics) 관점에서 살펴보면, IoT가 발전하면서 다양한 가전제품이 네트워크에 연결되며, 이들 가전제품 간 정보를 전달하기 위하여 키 및 난수를 생성한다. 특히, 현재는 다양한 가전제품이 존재하며, 이들 간 많은 정보 및 통신이 요구되기 때문에 안전한 난수 발생기로부터 생성된 난수는 매우 중요하다. 뿐만 아니라, 생성된 난수는 예측할 수 없어야 하고, 제3자가 생성할 수 없어야 한다.
이러한 특징으로 인하여 안전하게 난수를 생성하기 위한 진성 난수 발생기(true random number generator)가 연구되었다. 기존의 난수 발생기는 PRNG(Pseudo Random Number Generator)라 불리며, 완전한 난수가 아닌 의도적으로 생성한 난수이며, 주로 소프트웨어적인 방법으로 생성한다. PRNG는 결정론적인 시스템이기 때문에 완벽한 랜섬 값을 생성하는 것이 불가능하다. 이를 대응하기 위하여 결정론적 시스템인 TRNG(True Random Number Generator)가 연구되었다. TRNG는 진정한 난수를 생성하며, 주로 하드웨어적인 방법으로 생성한다. 따라서 본 발명에서는 진성 난수를 생성하기 위하여 FM 라디오 신호를 소스로 하는 생성기를 제안한다.
Hennebert 등은 무선 통계학(wireless statistics)을 기반으로 난수 발생기를 제안하였다. 난수 발생을 위한 소스로는 에러 패킷(erroneous packets), RSSI(Received Signal Strength Indicator) 및 LQI(Link Quality Indicator)를 이용하였으며, 신호의 세기와 채널의 품질을 반영하였다. 이 방식의 장점은 추가의 하드웨어가 필요가 없다. 실험 결과, LQI와 에러 패킷이 가장 효과적인 소스로 연구되었다.
Hennebert 등은 물리적 센서를 기반으로 난수 발생기를 제안하였으며, 난수를 위한 소스로는 센서를 이용하였다. 실험 결과, 가속도계, 자력계, 진동 센서 및 내부 클록은 높은 품질의 난수를 생성하였으며, 온도나 기압과 같은 현상을 측정하는 센서는 효과적으로 난수를 생성하지 못하였다.
Yoo 등은 GPU에 대한 병렬 계산의 경쟁 조건을 기반으로 하는 난수 발생기를 제안하였다. 높은 품질을 위하여 cuRAND와 같은 고속 난수 생성 라이브러리와 결합하여 난수를 생성하였다. 실험 결과, GPU는 물리적인 소스와 함께 하드웨어 난수 발생기로 사용이 가능하였다.
상기의 방식들은 다양한 소스로부터 난수를 수집한다. 하지만, 데이터의 랜덤만 고려할 뿐, 데이터에 포함된 노이즈는 고려하지 않은 것으로 생각된다. 이는 데이터 자체만 난수로 활용이 가능하며, 노이즈와 같이 실질적인 랜덤은 제공하지 못한다. 실제로, 상기 방식의 실험결과는 높지 않은 품질의 엔트로피를 가진다. 따라서 본 발명에서는 상기 방식과는 다르게 데이터 자체를 난수로 활용하는 것이 아니라, 데이터에 포함되는 잡음을 극대화시킴으로써 랜덤을 증가시키는 TRNG를 제안한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 진성 난수를 생성하기 위하여 FM 라디오 신호를 소스로 하는 난수 발생 방법 및 장치를 제공하는데 있다. FM 라디오 신호는 같은 위치와 같은 시간에 수집하더라도 간섭으로 인하여 동일한 신호가 수집되지 않는 특징이 있다. 다시 말해, 환경이 동일하더라도 예측이 불가능한 랜덤 값의 생성이 가능하고, 높은 품질을 가진 진성 난수를 생성하고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 장치는 FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되어, 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신하는 신호 수신부, FM 라디오 신호 수신부를 통해 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 난수로 활용할 데이터를 수집하는 데이터 수집부 및 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수를 발생 시키는 진성 난수 발생부를 포함한다.
데이터 수집부는 파일 포맷 방식, 채널 방식 또는 딜레이 방식 중 어느 하나를 이용하여 데이터를 수집한다.
파일 포맷 방식은 음성 정보의 로 데이터(raw data)를 수집하기 위하여 WAV 파일을 대상으로 압축되지 않은 데이터를 난수로 활용하고, 압축된 M4A 파일을 대상으로 압축된 데이터를 난수로 활용하는 파일 포맷 방식을 이용한다.
채널 방식은 하나의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법 또는 복수의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법을 이용한다.
딜레이 방식은 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집하는 방법에서, 채널을 변경할 때의 딜레이를 기반으로 난수를 수집하고, 미리 설정된 딜레이에 따라 변하는 수신된 신호의 랜덤성을 이용한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법은 FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되는 FM 라디오 신호 수신부를 통해 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신하는 단계, FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 데이터 수집부를 통해 난수로 활용할 데이터를 수집하는 단계 및 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수 발생부를 통해 진성 난수를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 진성 난수를 생성하기 위하여 FM 라디오 신호를 소스로 하는 난수를 발생시킬 수 있다. FM 라디오 신호는 같은 위치와 같은 시간에 수집하더라도 간섭으로 인하여 동일한 신호가 수집되지 않는 특징이 있다. 따라서, 환경이 동일하더라도 예측이 불가능한 랜덤 값의 생성이 가능하다. 특히, 가전제품은 다양한 위치 및 환경에 노출되기 때문에 그 만큼 잡음이 많이 발생하며, 이러한 이유로 높은 품질을 가진 진성 난수를 생성하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수집된 라디오 신호를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 채널에서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 엔트로피를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 채널을 딜레이 없이 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 엔트로피를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 채널과 멀티 채널에서의 랜덤성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 채널을 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 랜덤성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 채널을 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 랜덤성을 평가한 결과를 나타내는 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 모든 조건에서 수집된 라디오 신호로부터 생성된 M4A 파일과 WAV 파일의 랜덤성 비교결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모든 조건에서 수집된 라디오 신호의 랜덤성 비교결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, FM 라디오 신호를 수집하기 위하여, 본 발명에서는 라즈베리파이(110)를 사용하였다. 라즈베리파이(110)는 FM 라디오 수신 모듈이 없으므로 IO 핀에 FM 라디오 수신기(120)를 연결하였다. FM 라디오 수신기(120)를 라디오 신호를 수신하기 위한 안테나(130)와 라디오 신호를 출력하기 위한 스피커(140)에 연결할 수 있다. 따라서 연결된 안테나(130)를 통하여 FM 라디오 전송기(150)로부터 전송된 라디오 신호를 수신하며, 수신된 라디오 신호는 연결된 스피커(140)를 통하여 출력된다. 본 발명에서는 많은 노이즈를 포함시키기 위하여 스피커(140)로 출력된 라디오 신호를 단말(160)의 마이크를 통하여 수집하였다. 이 과정에서 포함되는 노이즈는 FM 라디오 전송기(150)로부터 전송된 라디오 신호, 안테나(130)로부터 수집된 라디오 신호, 스피커(140)로 출력된 라디오 신호, 그리고 단말(160)의 마이크로부터 수집된 라디오 신호에 섞인다. 마지막으로 수집된 아날로그인 FM 라디오 신호는 디지털로 변환하여 출력(170)되고 오디오 파일로 저장한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
제안하는 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 방법은 FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되는 FM 라디오 신호 수신부를 통해 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신하는 단계(210), FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 데이터 수집부를 통해 난수로 활용할 데이터를 수집하는 단계(220) 및 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수 발생부를 통해 진성 난수를 발생 시키는 단계(230)를 포함한다.
단계(210)에서, FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되는 FM 라디오 신호 수신부를 통해 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신한다.
단계(220)에서, FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 데이터 수집부를 통해 난수로 활용할 데이터를 수집한다.
FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 데이터 수집부를 통해 난수로 활용할 데이터를 수집하는 단계는 파일 포맷(File format) 방식, 채널(Channel) 방식 또는 딜레이(Delay) 방식 중 어느 하나를 이용하여 데이터를 수집한다.
파일 포맷 방식에 있어서, 단말의 마이크로부터 수집된 디지털 정보는 음성 파일 타입 중 M4A 파일 포맷으로 저장된다. M4A 파일 포맷은 음성 정보를 압축하여 저장하므로 기본적으로 엔트로피가 높을 것으로 예상된다. 따라서 본 발명에서는 음성 정보의 로 데이터(raw data)를 수집하기 위하여 WAV 파일을 대상으로 압축되지 않은 데이터를 난수로 활용하며, 압축된 M4A 파일을 대상으로 압축된 데이터를 난수로 활용한다. 그리고 두 경우 모두에서 수집된 난수를 실험을 통하여 그 결과를 비교한다.
채널 방식에 있어서, 하나의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법이 있으며, 표 1과 같이 여러 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법이 있다. 제안하는 방법은 하나의 채널만 사용하여 수집된 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법과 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집된 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법으로 난수를 생성한다. 그리고 두 경우 모두에서 수집된 난수를 실험을 통하여 그 결과를 비교한다.
딜레이 방식은 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집하는 방법에서, 채널을 변경할 때의 딜레이를 기반으로 난수를 수집한다. 이는 설정된 딜레이에 따라 수신하는 신호가 달라지므로 랜덤성 역시 달라질 것으로 판단되며, 딜레이가 없는 경우, 1 초 딜레이, 2 초 딜레이, 5 초 딜레이, 그리고 10 초 딜레이를 기반으로 난수를 생성한다. 그리고 모든 딜레이에서 수집된 난수를 실험을 통하여 그 결과를 비교한다.
단계(230)에서, 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수 발생부를 통해 진성 난수를 발생시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
제안하는 암호 시스템을 위한 FM 라디오 신호를 활용한 진성 난수 발생 장치(300)는 신호 수신부(310), 데이터 수집부(320) 및 진성 난수 발생부(330)를 포함한다. 신호 수신부(310), 데이터 수집부(320) 및 진성 난수 발생부(330)는 도 2의 단계들(210~230)을 수행하기 위해 구성될 수 있다.
신호 수신부(310)는 FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되어 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신한다.
데이터 수집부(320)는 FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 난수로 활용할 데이터를 수집한다.
FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 데이터 수집부를 통해 난수로 활용할 데이터를 수집하는 단계는 파일 포맷(File format) 방식, 채널(Channel) 방식 또는 딜레이(Delay) 방식 중 어느 하나를 이용하여 데이터를 수집한다.
파일 포맷 방식에 있어서, 단말의 마이크로부터 수집된 디지털 정보는 음성 파일 타입 중 M4A 파일 포맷으로 저장된다. M4A 파일 포맷은 음성 정보를 압축하여 저장하므로 기본적으로 엔트로피가 높을 것으로 예상된다. 따라서 본 발명에서는 음성 정보의 로 데이터(raw data)를 수집하기 위하여 WAV 파일을 대상으로 압축되지 않은 데이터를 난수로 활용하며, 압축된 M4A 파일을 대상으로 압축된 데이터를 난수로 활용한다. 그리고 두 경우 모두에서 수집된 난수를 실험을 통하여 그 결과를 비교한다.
채널 방식에 있어서, 하나의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법이 있으며, 표 1과 같이 여러 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법이 있다. 제안하는 방법은 하나의 채널만 사용하여 수집된 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법과 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집된 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법으로 난수를 생성한다. 그리고 두 경우 모두에서 수집된 난수를 실험을 통하여 그 결과를 비교한다.
딜레이 방식은 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집하는 방법에서, 채널을 변경할 때의 딜레이를 기반으로 난수를 수집한다. 이는 설정된 딜레이에 따라 수신하는 신호가 달라지므로 랜덤성 역시 달라질 것으로 판단되며, 딜레이가 없는 경우, 1 초 딜레이, 2 초 딜레이, 5 초 딜레이, 그리고 10 초 딜레이를 기반으로 난수를 생성한다. 그리고 모든 딜레이에서 수집된 난수를 실험을 통하여 그 결과를 비교한다.
진성 난수 발생부(330)는 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수를 발생시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수집된 라디오 신호를 나타내는 도면이다.
수집된 신호는 FM 라디오 전송기로부터 송출되는 라디오 신호와 안테나, 스피커, 마이크로 전달되는 과정에서 노이즈가 포함된 신호이다. 따라서 그 신호가 급격하게 오르락 내리락하는 것을 확인할 수 있다.
FM 라디오는 하나의 채널만 존재하는 것이 아니라, 방송에 따라 다양한 채널을 통하여 신호가 전달된다. FM 라디오 수신기를 통하여 수신 가능한 채널을 스캔한 결과, 표 1과 같이 총 13개의 기지국들(stations)이 검색되었다.
<표 1>
Figure pat00001
하지만, 수신기 및 안테나, 실험 환경에 의하여 4개의 채널, 91.3 Mhz, 101.1 Mhz, 102.3 Mhz, 107.7 Mhz 채널만이 정상적으로 신호가 출력되었다. 따라서 본 발명에서는 정상적으로 출력되는 상기 4개의 채널을 토대로 난수(random number)로 활용할 데이터를 수집한다.
앞서 설명된 수집방법을 기반으로 수집된 라디오 신호로부서 생성된 난수의 랜덤성을 평가한다. 수집된 난수의 랜덤성을 측정하는 다양한 방법이 존재하며, 본 발명에서는 NIST에서 제공한 엔트로피 측정 도구를 활용하였다. NIST는 생성되는 난수의 엔트로피를 측정하기 위한 도구를 배포하였으며, 현재 800-90b가 공개되었다. 800-90b는 난수의 속성에 따라 다른 측정 방법으로 랜덤성을 측정하며, 측정 방법은 IID(Independent and Identically Distributed)와 non-IID로 분류된다. 라디오 신호는 연속적으로 출력되는 특징이 있으므로 non-IID 측정으로 엔트로피를 측정하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 채널에서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 엔트로피를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
상술된 바와 같이, 단말의 마이크로 음성을 수집하면, 그 데이터는 압축되어 M4A 포맷으로 출력된다. 따라서 압축되지 않은 로 데이터를 수집하기 위하여 WAV 파일로 변환하며, 두 경우 모두에서 수집된 난수의 랜덤성을 측정한다. 측정을 위한 NIST에서 제공한 랜덤성 측정 도구를 활용하였으며, 최종 측정 결과는 최소 엔트로피(min-entropy)로 출력된다. 본 발명에서는 단일 채널에서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 엔트로피를 측정하였으며, 그 결과를 도 5와 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure pat00002
결과를 살펴보면, WAV 파일 포맷의 최소 엔트로피(min-entropy)는 각각 0.506145, 0.548524, 0.527593, 0.545374, 그리고 0.545893이며, M4A 파일 포맷의 최소 엔트로피(man-entropy)는 각각 0.717329, 0.706209, 0.712956, 0.710181, 그리고 0.715842이다. 이는 M4A 파일 포맷이 WAV 파일 포맷보다 높은 엔트로피를 가지는 것을 의미한다. 그 이유는 WAV 파일 포맷은 로 데이터만 저장되지만, M4A 파일 포맷은 저장을 위하여 로 데이터를 압축하기 때문에 엔트로피가 높아지기 때문이다. 따라서 M4A 파일 포맷이 WAV 파일 포맷보다 높은 랜덤성을 제공하는 것을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 채널을 딜레이 없이 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 엔트로피를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
상술된 바와 같이, 하나의 채널을 이용하여 수집된 라디오 신호를 난수로 활용한 방법과 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집된 라디오 신호를 난수로 활용한 방법으로 채널에 따른 랜덤성을 평가한다. 단일 채널은 하나의 채널에서 수집된 데이터를 활용하였으며, 멀티 채널은 4개의 채널, 91.3 Mhz, 101.1Mhz, 102.3 Mhz, 그리고 107.7Mhz 채널을 딜레이 없이 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 엔트로피를 측정하였다. 도 6에 멀티 채널에서 수집된 난수의 결과를 나타내었다.
결과를 살펴보면, WAV 파일 포맷의 최소 엔트로피는 각각 0.657579, 0.675741, 0.676418, 0.675009, 그리고 0.682364이며, M4A 파일 포맷의 최소 엔트로피는 각각 0.693999, 0.720399, 0.682307, 0.692344, 그리고 0.669186이다. 이는 WAV 파일 포맷이 M4A 파일 포맷보다 낮은 엔트로피를 가지지만, 그 수치는 크지 않다. 뿐만 아니라, 단일 채널의 결과와 비교하면, 엔트로피가 많이 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 단일 채널에서 라디오 신호를 수집하는 것보다 멀티 채널에서 라디오 신호를 수집하는 것이 랜덤성을 향상시키는 것을 의미한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 채널과 멀티 채널에서의 랜덤성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
단일 채널과 멀티 채널에서의 랜덤성 평가 결과를 도 7에 나타내었으며, 총 10번의 데이터를 수집한 후, 그 결과의 평균을 나타내었다.
결과를 살펴보면, M4A 파일 포맷이 WAV 파일 포맷보다 높은 엔트로피를 가지며, M4A 파일 포맷은 단일 채널과 멀티 채널에서 비슷한 엔트로피를 가진다. 하지만 WAV 파일 포맷은 멀티 채널이 단일 채널보다 높은 엔트로피를 가지며, 이는 멀티 채널을 통하여 라디오 신호를 수집하는 것이 랜덤성을 향상시키는 것을 의미한다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 채널을 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 랜덤성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
다양한 채널을 번갈아 수집할 때, 한 채널에서 출력되는 라디오 신호의 딜레이를 딜레이 없음(no delay), 1s, 2s, 5s, 그리고 10s를 기반으로 난수를 생성한다. 사용된 채널은 4개의 채널, 91.3 Mhz, 101.1Mhz, 102.3 Mhz, 그리고 107.7Mhz 채널을 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 엔트로피를 측정하였다. 측정된 결과는 도 8(1s 딜레이), 도 9(2s 딜레이), 도 10(5s 딜레이), 그리고 도 11(10s 딜레이)에 나타내었다.
결과를 살펴보면, M4A 파일 포맷이 WAV 파일 포맷보다 높은 엔트로피를 가지며, 이는 압축으로 인하여 상승된 것으로 생각된다. 하지만 딜레이가 없는(no delay) 결과와 비교하면, 엔트로피가 다소 낮아진 것을 확인할 수 있다. 이는 딜레이로 인하여 수신되는 1s, 2s, 5s, 그리고 10s의 라디오 신호가 엔트로피를 높이지 않으며, 딜레이가 없는 경우에는 수신되는 라디오 신호의 딜레이가 없기 때문에 신호가 빠르게 변화하면서 엔트로피를 높이는 것으로 생각된다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 채널을 번갈아 가면서 수집된 총 다섯 번의 데이터를 기반으로 랜덤성을 평가한 결과를 나타내는 도면이다.
딜레이가 없는 경우와 1s, 2s, 5s, 그리고 10s 딜레이에서의 랜덤성 평가 결과를 도 12(1s 딜레이), 도 13(2s 딜레이), 도 14(5s 딜레이), 그리고 도 15(10s 딜레이)에 나타내었으며, 총 10번의 데이터를 수집한 후, 그 결과의 평균을 나타내었다.
결과를 살펴보면, M4A 파일은 딜레이가 달라지는 경우에도 엔트로피의 큰 변화가 없다. 하지만 WAV 파일은 1s, 2s, 5s, 그리고 10s의 엔트로피가 각각 0.669576, 0.635659, 0.652703, 그리고 0.62834이며, 이는 딜레이가 없는 경우의 엔트로피인 0.681814와 비교하면 더 낮아진 것을 확인할 수 있다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 모든 조건에서 수집된 라디오 신호로부터 생성된 M4A 파일과 WAV 파일의 랜덤성 비교결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모든 조건에서 수집된 라디오 신호의 랜덤성 비교결과를 나타내는 도면이다.
마지막으로 지금까지의 실험결과인 딜레이가 없는 단일 채널, 딜레이가 없는 멀티 채널, 1s 딜레이 멀티 채널, 2s 딜레이 멀티 채널, 5s 딜레이 멀티 채널, 그리고 10s 딜레이 멀티 채널의 조건에서 M4A 파일과 WAV 파일의 결과를 비교하였으며, 이를 도 16과 도 17에 나타내었다. 그리고 모든 조건에서 수집된 라디오 신호의 결과를 도 18에 나타내었다.
결과를 살펴보면, M4A 파일에서는 10s 딜레이 멀티 채널의 엔트로피가 0.733125로 가장 높았으며, 딜레이가 없는 멀티 채널의 엔트로피가 0.668624로 가장 낮았다. WAV 파일에서는 딜레이가 없는 멀티 채널의 엔트로피가 0.681814로 가장 높았으며, 딜레이가 없는 단일 채널의 엔트로피가 0.548512로 가장 낮았다. 다시 말하면 단일 채널에서 멀티 채널로 변경하여 라디오 신호를 수집하면, 124% 이상 엔트로피를 상승시킬 수 있으며, 이는 더욱 랜덤한 수의 수집이 가능한 것을 의미한다. 마지막으로 모든 조건에서 수집된 라디오 신호로부터 생성된 M4A 파일과 WAV 파일의 엔트로피를 표 3과 표 4에 나타내었다.
<표 3>
Figure pat00003
<표 4>
Figure pat00004
본 발명에서 평가한 최고의 엔트로피는 0.768927이다. 최근 기존 연구의 난수 발생기는 최소 0.17에서 최대 0.62이며, 본 발명의 실시예에 따른 난수 발생기와 비교하면 낮은 수준이다. 따라서 제안하는 난수 발생기는 기존의 난수 발생기에 비해 최소 124%, 그리고 최대 452.31%의 엔트로피를 증가시켰다. 이는 제안하는 방안이 매우 훌륭함을 의미하며, 비교결과를 표 5에 나타내었다.
<표 5>
Figure pat00005
본 발명에서는 TRNG를 생성하는 방법을 제안하였으며, 소스로는 라디오 신호를 이용하였다. 본 발명에서 많은 노이즈를 포함시키기 위하여 스피커로 출력된 라디오 신호를 단말의 마이크를 통하여 수집하였다. 이 과정에서 포함되는 노이즈는 FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호, 안테나로부터 수집된 라디오 신호, 스피커로 출력된 라디오 신호, 그리고 마이크로부터 수집된 라디오 신호에 섞인다(mingle). 실험을 위하여, 정상적으로 출력되는 4개의 채널(91.3 Mhz, 101.1 Mhz, 102.3 Mhz, 107.7 Mhz)을 토대로 난수로 활용할 데이터를 수집하였다. 또한, 총 3가지 방법(파일 포맷, 채널, 그리고 딜레이)으로 난수를 수집하였다. 실험을 위하여, 1,000,000개의 데이터를 수집하였고, NIST에서 제공한 엔트로피 측정 도구를 활용하여 랜덤성을 측정하였다.
측정 결과, M4A 파일 포맷이 WAV 파일 포맷보다 높은 엔트로피를 가진다. 그 이유는 WAV 파일 포맷은 로 데이터만 저장되지만, M4A 파일 포맷은 저장을 위하여 로 데이터를 압축하기 때문에 엔트로피가 높아지기 때문이다. 따라서 M4A 파일 포맷이 WAV 파일 포맷보다 높은 랜덤성을 제공하는 것을 확인하였다. 그리고 단일 채널에서 라디오 신호를 수집하는 것보다 멀티 채널에서 라디오 신호를 수집하는 것이 랜덤성을 향상시킨다. 마지막으로, M4A 파일은 딜레이가 달라지는 경우에도 엔트로피의 큰 변화가 없다. 하지만 WAV 파일은 딜레이가 없는 경우와 비교하면 딜레이가 달라지는 경우에는 엔트로피가 낮아진다. 따라서 단일 채널에서 멀티 채널로 변경하여 라디오 신호를 수집하면, 124% 이상 엔트로피를 상승시킬 수 있으며, 이는 더욱 랜덤한 수의 수집이 가능한 것을 의미한다. 마지막으로 제안하는 난수 발생기는 기존의 난수 발생기에 비해 최소 124%, 그리고 최대 452.31%의 엔트로피를 증가시켰다. 이는 제안하는 방안이 매우 훌륭함을 의미한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되어, 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신하는 신호 수신부;
    FM 라디오 신호 수신부를 통해 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 난수로 활용할 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 및
    데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수를 발생 시키는 진성 난수 발생부
    를 포함하는 진성 난수 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    데이터 수집부는 파일 포맷 방식, 채널 방식 또는 딜레이 방식 중 어느 하나를 이용하여 데이터를 수집하는
    진성 난수 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    파일 포맷 방식은 음성 정보의 로 데이터(raw data)를 수집하기 위하여 WAV 파일을 대상으로 압축되지 않은 데이터를 난수로 활용하고, 압축된 M4A 파일을 대상으로 압축된 데이터를 난수로 활용하는 파일 포맷 방식을 이용하는
    진성 난수 발생 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    채널 방식은 하나의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법 또는 복수의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법을 이용하는
    진성 난수 발생 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    딜레이 방식은 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집하는 방법에서, 채널을 변경할 때의 딜레이를 기반으로 난수를 수집하고, 미리 설정된 딜레이에 따라 변하는 수신된 신호의 랜덤성을 이용하는
    진성 난수 발생 장치.
  6. FM 라디오 전송기로부터 전송된 라디오 신호를 수신하는 안테나와 연결되는 FM 라디오 신호 수신부를 통해 노이즈를 포함하는 FM 라디오 신호를 수신하는 단계;
    FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 데이터 수집부를 통해 난수로 활용할 데이터를 수집하는 단계; 및
    데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 진성 난수 발생부를 통해 진성 난수를 발생시키는 단계
    를 포함하는 진성 난수 발생 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    FM 라디오 신호 수신부에서 수신 가능한 FM 라디오 신호의 채널들 중 정상 출력되는 신호만을 기초로 하여 데이터 수집부를 통해 난수로 활용할 데이터를 수집하는 단계는 파일 포맷 방식, 채널 방식 또는 딜레이 방식 중 어느 하나를 이용하여 데이터를 수집하는
    진성 난수 발생 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    파일 포맷 방식은 음성 정보의 로 데이터(raw data)를 수집하기 위하여 WAV 파일을 대상으로 압축되지 않은 데이터를 난수로 활용하고, 압축된 M4A 파일을 대상으로 압축된 데이터를 난수로 활용하는 파일 포맷 방식을 이용하는
    진성 난수 발생 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    채널 방식은 하나의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법 또는 복수의 채널에서 송출되는 라디오 신호를 난수로 활용하는 방법을 이용하는
    진성 난수 발생 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    딜레이 방식은 다양한 채널을 번갈아 가면서 수집하는 방법에서, 채널을 변경할 때의 딜레이를 기반으로 난수를 수집하고, 미리 설정된 딜레이에 따라 변하는 수신된 신호의 랜덤성을 이용하는
    진성 난수 발생 방법.
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