CN103530086A - 一种分散机制的软件随机数生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种分散机制的软件随机数生成方法，该方法为：1、获取初始的随机数种子，所述随机数种子为读取到的系统时间值，该随机数种子占N个字节；2、随机数种子通过线性同余算法，得到过程随机数；所述线性同余算法过程若产生溢出，则取低N字节的结果，丢弃溢出位；3、对产生的过程随机数进行分散；所述分散方式为将过程随机数的每N个字节数进行划分出来，并将各字节的值在一查询表中进行查询，查询到后进行置换，将置换得到的结果进行依次合并得到一结果随机数；4、输出所述结果随机数。本发明在循环迭代过程中加入了数据分散机制，增强了软件随机数据的随机性；并大大降低了被破解的可能性，从而提高了产品的安全性。

Description

一种分散机制的软件随机数生成方法
技术领域
本发明涉及计算机通信技术领域，尤其涉及一种分散机制的软件随机数生成方法。
背景技术
随机数在安全算法领域的作用非常大，按其实现方式可分为硬件随机数和软件随机数两大类。一般地硬件随机数的性能会优于软件随机数，所谓随机数的性能，可以使用大量的随机数样本进行NIST（国家标准与技术研究所）随机数测试工具（一种目前较权威的随机数测试工具）进行测试，以该工具的测试结果通过率进行评估。但现有技术中，硬件随机数的生产装置需要较高的成本，而软件随机数的成本仅需软件资源的成本，可忽略不计。在对安全性要求较低的领域，结合成本因素，更有可能选用软件随机数生成算法，不同软件随机数的算法的随机性能存在一定差异。业内最常见的软件随机数算法为线性同余算法，本专利申请文件针对线性同余算法进行增加分散机制的设计，能提高生成的随机数性能，即同等随机数样本总数情况下，通过NIST测试的随机数样本数量增加。
由于软件随机数的常见算法为线性同余算法，这种算法的缺点在于循环迭代过程中，易产生规律性，即随机性被减弱。本专利申请文件在循环迭代过程中加入了数据分散机制，增强了数据的随机性。
此外，线性同余算法是容易被破解的，此处破解指通过连续若干次的随机数生成，即可通过有限域内解方程组方法推导出所使用的参数a，b，进而计算出后续的随机数，使随机数的意义减少，甚至消失。而通过分散机制的随机数生成算法，通过有限域内解方程组推导参数的方法将不可行，被破解的可能性大大降低，因此此方法在安全领域显得很有意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种分散机制的软件随机数生成方法，增强了软件随机数据的随机性；从而进行NIST工具测试的通过率增加。
本发明是这样实现的：一种分散机制的软件随机数生成方法，所述方法具体包括如下步骤：
步骤1、获取初始的随机数种子，所述随机数种子为读取到的系统时间值，该随机数种子占N个字节，N为大于1的整数；
步骤2、随机数种子通过线性同余算法，得到过程随机数；线性同余算法公式为：R1=a*R0+b；其中a为8*N位的素数，b为8*N位的奇数，R0为随机数种子，R1为过程随机数；所述线性同余算法过程若产生溢出，则取低8*N位的结果，丢弃溢出位；
步骤3、对产生的过程随机数进行分散；所述分散方式为将过程随机数的N个字节按字节进行划分出来，并将各字节的值在一查询表中进行查询，查询到后进行置换，将置换得到的结果进行依次合并得到一结果随机数；所述查询表中包含有256个序号，每个序号对应一数值；各字节的值与各序号进行查询匹配，匹配后置换序号对应的数值；该查询表用于对各字节的值进行置换为没有规律的分散值，从而生成N字节的结果随机数；
步骤4、输出所述结果随机数。
本发明具有如下优点：现有的线性同余算法缺点在于循环迭代过程中，易产生规律性，即随机性被减弱。本发明在循环迭代过程中加入了数据分散机制，增强了软件随机数据的随机性；从而进行NIST工具测试的通过率增加；同时大大降低了被破解的可能性，提高了产品的安全性。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明为一种分散机制的软件随机数生成方法，所述方法具体包括如下步骤：
步骤1、获取初始的随机数种子，所述随机数种子为读取到的系统时间值，该随机数种子占N个字节，N为大于1的整数，可取系统字长值；（例如32位系统可取N为4）
步骤2、随机数种子通过线性同余算法，得到过程随机数；线性同余算法公式为：R1=a*R0+b；其中a为8*N位的素数，b为8*N位的奇数，R0为随机数种子，R1为过程随机数；所述线性同余算法过程若产生溢出，则取低8*N位的结果，丢弃溢出位；
步骤3、对产生的过程随机数进行分散；所述分散方式为将过程随机数的N个字节按字节进行划分出来，并将各字节的值在一查询表中进行查询，查询到后进行置换，将置换得到的结果进行依次合并得到一结果随机数；所述查询表中包含有256个序号，每个序号对应一数值；所述各数值为大于或等于0的16进制数据（即所述数据置换的查询表中的参考数组为表格数据构成的数组，其他具备无规律性的数组也可以作为查询表中的数据置换数组。即将表格数据作为参考，而非必须。）；各字节的值与各序号进行查询匹配，匹配后置换序号对应的数值；该查询表用于对各字节的值进行置换为没有规律的分散值从而生成N字节的结果随机数；
步骤4、输出所述结果随机数；其中，在输出结果随机数后，根据系统所需要的随机数长度进行判断，若还需要产生随机数，则将步骤3得到的结果随机数作为新的随机数种子，继续执行步骤2步到步骤4得到新的结果随机数，反复执行直到所需长度足够为止。
另外，在发明中，所述查询表中各序号和数值对应关系如表1（注：下表数据均为16进制数据）：
表1
序号 数据 序号 数据 序号 数据 序号 数据
00 d6 01 90 02 fe 03 e9
04 cc 05 e1 06 b7 07 3d
08 16 09 b6 0a c2 0b 14
0c 28 0d fb 0e 05 0f 2c
10 2b 11 67 12 76 13 9a
14 2a 15 be 16 c3 17 04
18 aa 19 44 1a 26 1b 13
1c 49 1d 86 1e 99 1f 06
20 9c 21 42 22 f4 23 50
24 91 25 ef 26 7a 27 98
28 33 29 54 2a 43 2b 0b
2c ed 2d cf 2e 62 2f ac
30 e4 31 b3 32 a9 33 1c
34 c9 35 08 36 95 37 e8
38 80 39 df 3a fa 3b 94
3c 75 3d 8f 3e a6 3f 3f
40 47 41 07 42 fc 43 a7
44 f3 45 73 46 ba 47 17
48 83 49 59 4a 19 4b 3c
4c e6 4d 85 4e a8 4f 4f
50 68 51 6b 52 b2 53 81
54 71 55 64 56 8b 57 da
58 f8 59 eb 5a 4b 5b 0f
5c 70 5d 56 5e 35 5f 9d
60 1e 61 24 62 5e 63 0e
64 63 65 58 66 a2 67 d1
68 25 69 22 6a 3b 6b 7c
6c 01 6d 21 6e 87 6f 78
70 d4 71 00 72 57 73 46
74 9f 75 d3 76 52 77 27
78 4c 79 36 7a e7 7b 02
7c a0 7d c4 7e 9e 7f c8
80 ea 81 bf 82 d2 83 8a
84 40 85 c7 86 b5 87 38
88 a3 89 f7 8a ce 8b f2
8c f9 8d 61 8e a1 8f 15
90 e0 91 ae 92 a4 93 5d
94 9b 95 34 96 55 97 1a
98 ad 99 93 9a 30 9b 32
9c f5 9d 8c 9e e3 9f b1
a0 1d a1 f6 a2 2e a3 e2
a4 82 a5 66 a6 60 a7 ca
a8 c0 a9 29 aa ab ab 23
ac 0d ad 53 ae 6f af 4e
b0 d5 b1 db b2 45 b3 37
b4 de b5 fd b6 2f b7 8e
b8 03 b9 ff ba 72 bb 6a
bc 6d bd 6c be 51 bf 5b
c0 8d c1 1b c2 92 c3 af
c4 bb c5 dd c6 7f c7 bc
c8 11 c9 d9 ca 41 cb 5c
cc 1f cd 10 ce d8 cf 5a
d0 0a d1 c1 d2 88 d3 31
d4 a5 d5 cd d6 bd d7 7b
d8 2d d9 74 da 12 db d0
dc b8 dd e5 de b0 df b4
e0 89 e1 69 e2 4a e3 97
e4 0c e5 96 e6 7e e7 77
e8 65 e9 b9 ea 09 eb f1
ec c5 ed 6e ee 84 ef c6
f0 18 f1 f0 f2 ec f3 7d
f4 3a f5 dc f6 20 f7 4d
f8 79 f9 ee fa 3e fb 5f
fc d7 fd cb fe 48 ff 39
该表共有256个,置换方法举例如下，例如过程随机数为0x12345678，4个字节分别为0x12，0x34，0x56，0x78，通过所述查找表置换的结果为0x9a,0xc9,0xda,0x4c；把4个字节依次合并起来得到0x9ac9da4c,其0x9ac9da4c即为结果随机数。
其中，所述查询表中各序号和数值对应关系也可以如表2（注：下表数据均为16进制数据）：
表2
序号 数据 序号 数据 序号 数据 序号 数据
00 90 01 d6 02 e9 03 fe
04 e1 05 cc 06 3d 07 b7
08 b6 09 16 0a 14 0b c2
0c fb 0d 28 0e 2c 0f 05
10 67 11 2b 12 9a 13 76
14 be 15 2a 16 04 17 c3
18 44 19 aa 1a 13 1b 26
1c 86 1d 49 1e 06 1f 99
20 42 21 9c 22 50 23 f4
24 ef 25 91 26 98 27 7a
28 54 29 33 2a 0b 2b 43
2c cf 2d ed 2e ac 2f 62
30 b3 31 e4 32 1c 33 a9
34 08 35 c9 36 e8 37 95
38 df 39 80 3a 94 3b fa
3c 8f 3d 75 3e 3f 3f a6
40 07 41 47 42 a7 43 fc
44 73 45 f3 46 17 47 ba
48 59 49 83 4a 3c 4b 19
4c 85 4d e6 4e 4f 4f a8
50 6b 51 68 52 81 53 b2
54 64 55 71 56 da 57 8b
58 eb 59 f8 5a 0f 5b 4b
5c 56 5d 70 5e 9d 5f 35
60 24 61 1e 62 0e 63 5e
64 58 65 63 66 d1 67 a2
68 22 69 25 6a 7c 6b 3b
6c 21 6d 01 6e 78 6f 87
70 00 71 d4 72 46 73 57
74 d3 75 9f 76 27 77 52
78 36 79 4c 7a 02 7b e7
7c c4 7d a0 7e c8 7f 9e
80 bf 81 ea 82 8a 83 d2
84 c7 85 40 86 38 87 b5
88 f7 89 a3 8a f2 8b ce
8c 61 8d f9 8e 15 8f a1
90 ae 91 e0 92 5d 93 a4
94 34 95 9b 96 1a 97 55
98 93 99 ad 9a 32 9b 30
9c 8c 9d f5 9e b1 9f e3
a0 f6 a1 1d a2 e2 a3 2e
a4 66 a5 82 a6 ca a7 60
a8 29 a9 c0 aa 23 ab ab
ac 53 ad 0d ae 4e af 6f
b0 db b1 d5 b2 37 b3 45
b4 fd b5 de b6 8e b7 2f
b8 ff b9 03 ba 6a bb 72
bc 6c bd 6d be 5b bf 51
c0 1b c1 8d c2 af c3 92
c4 dd c5 bb c6 bc c7 7f
c8 d9 c9 11 ca 5c cb 41
cc 10 cd 1f ce 5a cf d8
d0 c1 d1 0a d2 31 d3 88
d4 cd d5 a5 d6 7b d7 bd
d8 74 d9 2d da d0 db 12
dc e5 dd b8 de b4 df b0
e0 69 e1 89 e2 97 e3 4a
e4 96 e5 0c e6 77 e7 7e
e8 b9 e9 65 ea f1 eb 09
ec 6e ed c5 ee c6 ef 84
f0 f0 f1 18 f2 7d f3 ec
f4 dc f5 3a f6 4d f7 20
f8 ee f9 79 fa 5f fb 3e
fc cb fd d7 fe 39 ff 48
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种分散机制的软件随机数生成方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
步骤1、获取初始的随机数种子，所述随机数种子为读取到的系统时间值，该随机数种子占N个字节，N为大于1的整数；
步骤2、随机数种子通过线性同余算法，得到过程随机数；线性同余算法公式为：R1=a*R0+b；其中a为8*N位的素数，b为8*N位的奇数，R0为随机数种子，R1为过程随机数；所述线性同余算法过程若产生溢出，则取低8*N位的结果，丢弃溢出位；
步骤3、对产生的过程随机数进行分散；所述分散方式为将过程随机数的N个字节按字节进行划分出来，并将各字节的值在一查询表中进行查询，查询到后进行置换，将置换得到的结果进行依次合并得到一结果随机数；所述查询表中包含有256个序号，每个序号对应一数值；各字节的值与各序号进行查询匹配，匹配后置换序号对应的数值；该查询表用于对各字节的值进行置换为没有规律的分散值，从而生成N字节的结果随机数；
步骤4、输出所述结果随机数。
2.根据权利要求1所述的一种分散机制的软件随机数生成方法，其特征在于：
所述步骤4进一步包括：输出结果随机数，根据系统所需要的随机数长度进行判断，若还需要产生随机数，则将步骤3得到的结果随机数作为新的随机数种子，继续执行步骤2步到步骤4得到新的结果随机数，反复执行直到所需长度足够为止。
3.根据权利要求1所述的一种分散机制的软件随机数生成方法，其特征在于：所述查询表中各序号和数值对应关系为：00—d6，01—90，02—e9，03—fe，04—cc，05—e1，06—3d，07—b7，08—16，09—b6，0a—14，0b—c2，0c—28，0d—fb，0e—2c，0f—05，10—2b，11—67，12—9a，13—76，14—2a，15—be，16—04，17—c3，18—aa，19—44，1a—13，1b—26，1c—49，1d—86，1e—06，1f—99，20—9c，21—42，22—50，23—f4，24—91，25—ef，26—98，27—7a，28—33，29—54，2a—0b，2b—43，2c—ed，2d—cf，2e—ac，2f—62，30—e4，31—b3，32—1c，33—a9，34—c9，35—08，36—e8，37—95，38—80，39—df，3a—94，3b—fa，3c—75，3d—8f，3e—3f，3f—a6，40—47，41—07，42—a7，43—fc，44—f3，45—73，46—17，47—ba，48—83，49—59，4a—3c，4b—19，4c—e6，4d—85，4e—4f，4f—a8，50—68，51—6b，52—81，53—b2，54—71，55—64，56—da，57—8b，58—f8，59—eb，5a—0f，5b—4b，5c—70，5d—56，5e—9d，5f—35，60—1e，61—24，62—0e，63—5e，64—63，65—58，66—d1，67—a2，68—25，69—22，6a—7c，6b—3b，6c—01，6d—21，6e—78，6f—87，70—d4，71—00，72—46，73—57，74—9f，75—d3，76—27，77—52，78—4c，79—36，7a—02，7b—e7，7c—a0，7d—c4，7e—c8，7f—9e，80—ea，81—bf，82—8a，83—d2，84—40，85—c7，86—38，87—b5，88—a3，89—f7，8a—f2，8b—ce，8c—f9，8d—61，8e—15，8f—a1，90—e0，91—ae，92—5d，93—a4，94—9b，95—34，96—1a，97—55，98—ad，99—93，9a—32，9b—30，9c—f5，9d—8c，9e—b1，9f—e3，a0—1d，a1—f6，a2—e2，a3—2e，a4—82，a5—66，a6—ca，a7—60，a8—c0，a9—29，aa—23，ab—ab，ac—0d，ad—53，ae—4e，af—6f，b0—d5，b1—db，b2—37，b3—45，b4—de，b5—fd，b6—8e，b7—2f，b8—03，b9—ff，ba—6a，bb—72，bc—6d，bd—6c，be—5b，bf—51，c0—8d，c1—1b，c2—af，c3—92，c4—bb，c5—dd，c6—bc，c7—7f，c8—11，c9—d9，ca—5c，cb—41，cc—1f，cd—10，ce—5a，cf—d8，d0—0a，d1—c1，d2—31，d3—88，d4—a5，d5—cd，d6—7b，d7—bd，d8—2d，d9—74，da—d0，db—12，dc—b8，dd—e5，de—b4，df—b0，e0—89，e1—69，e2—97，e3—4a，e4—0c，e5—96，e6—77，e7—7e，e8—65，e9—b9，ea—f1，eb—09，ec—c5，ed—6e，ee—c6，ef—84，f0—18，f1—f0，f2—7d，f3—ec，f4—3a，f5—dc，f6—4d，f7—20，f8—79，f9—ee，fa—5f，fb—3e，fc—d7，fd—cb，fe—39，ff—48。
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