CN104281434A - 一种物理性随机数发生器及真随机数的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种物理性随机数发生器，及真随机数的生成方法，该装置包括水槽(由侧板、底板组成)、液体、反射罩、CCD芯片、电灯、控制器、浮球、弹簧、旋转轴、电动机等，其中浮球通过弹簧与旋转轴连接，底板用透明的材料制作，CCD芯片位于底板的下方。该装置生成随机数的方法是，旋转轴旋转时，浮球从液体表面掠过，对液体加以扰动，液体的表面会发生复杂而难以预测的变化，而对该液体进行照射时，液体表面的微小变化，就会导致光线折射、反射方向的巨大变化，故照射到CCD芯片上的光线的强度会发生不规则的变化，CCD芯片将光信号转化为电信号，最终输出即为真随机序列。该装置的生成随机数的效率较高，成本较低。

Description

一种物理性随机数发生器及真随机数的生成方法

技术领域

本发明是一种随机数发生器及随机数的生成方法，具体地说，是一种物理性随机数发生器及真随机数的生成方法。

背景技术

在密码技术中，随机数的生成是极为重要的，它往往是生成密钥、口令的基础。而随机数发生器，分为伪随机数发生器、真随机数发生器2类。

而以往的随机数发生器，往往是伪随机数发生器，例如常见的rand()，每次运行的结果都是一样的。虽然在实际中人们使用的随机数发生器，比rand()复杂，但它们往往都是伪随机数发生器，其生成的结果是伪随机的。事实上，任何基于计算机的算法的随机数发生器，都是伪随机数发生器，故它们是有规律可循的，理论上是可破解的。

以往也有一些真随机数的生成方法，比如掷钱币、掷骰子、转轮、使用电子元件的热噪音、核裂变、混沌激光、混沌电路等。这样的随机数发生器叫做物理性随机数发生器，它们的缺点是技术要求比较高。使用电子元件的热噪音来生成随机数，成本相对较低，但其生成效率(码率)较低。使用混沌激光来生成随机数，生成效率较高，但成本较高。

而多种以往所谓的真随机源，事实上生成的并不是真随机数，例如，使用混沌激光生成的随机数，虽然使用计算机难以算出，但是如果对另一个激光器设置相同的初始条件，就可产生相同的信号。在各种真随机源被深入研究并被深入了解后，它们都可能不再是安全的(不再是不可破解的)，故寻找新的真随机源，是非常重要的。

发明内容

为了提高真随机数的生成效率、降低生成真随机数的成本，本发明提出了一种新的生成真随机数的装置和方法。

本发明是基于这样的一种物理现象而提出的：当液体被扰动，液体的表面就会发生复杂而难以预测的变化，而对该液体进行照射时，液体表面的微小变化，就会导致光线折射、反射方向的巨大变化。其具体方法是：使用叶片、浮球等对液体进行扰动，并对该液体进行照射，在液体底部设置CCD芯片，就可将光信号转化为数字信号，这种数字信号就是随机性很好的数据。这是一种新的生成随机数的方法，我们还可接续这一发明，着手进行进一步的研究。

该装置的结构是这样的(参见图1、图2、图3)：它包括有一个水槽(由侧板、底板组成)，水槽的底板下设一CCD芯片，水槽上有一反射罩。反射罩上安装一个电灯。反射罩上还安装一至多个对液体进行扰动的系统(包括旋转叶片、浮球、弹簧、旋转轴、电动机等，以下简称扰动系统)。

以下对该装置进行详细介绍。

该水槽的侧板，形状是不规则的，不是常见的圆形、方形等，制作时，可手工敲击，以形成不确定的、唯一的形状。可在其内表面再贴上反光布等反光材料，或在其内表面镀上铝、银等材料，以提高反射光线的能力。

水槽的底板，为玻璃等透明材料。

水槽的底板下设一CCD芯片，它可将光信号转化为数字信号。数据可直接输出，也可先保存在存储器中，到需要时再输出。也可以这些数据为基础，再使用一定的加密算法，进行变换，再将变换的结果输出，这样数据的随机性会更强，更难攻击。CCD芯片，通常小于底板。在底板下方与CCD芯片不接触的部分，可贴上反光材料，以提高反射光线的能力。

水槽上设一反射罩，其形状也是不规则的，并可手工敲击，产生不规则的凹凸。反射罩，可用铝、不锈钢等反射光线能力较强的材料制作，也可在其内表面再贴上反光布等反光材料，或在其内表面镀上铝、银等材料，以提高反射光线的能力。

反射罩上设一电灯，为增加数据的随机性，其电流可由控制器控制，使电流不规则变化，故亮度会不规则变化。

扰动系统的旋转轴上有一电动机，为增加数据的随机性，其电流也可由控制器控制，控制器内置特定算法，使电流不规则变化。

扰动系统的弹簧、浮球，可用透明或半透明的材料制作，以便于透光。而该弹簧可以是金属弹簧，也可是塑料弹簧等；可以是普通的螺旋弹簧，也可是片弹簧等。而由于浮球是通过弹簧与旋转轴连接的，故随着旋转速度的变化，浮球的线速度、角速度、旋转半径也发生不规则变化。制作浮球时，也可手工敲击，使其形状不确定。

扰动系统也可使用旋转叶片对液体进行扰动，制作旋转叶片时，也可手工敲击，使其形状不确定。

反射罩上设一注液口，底板上设一排液口(平时用塞子密封，在清洗内壁等情况下用于排空液体)。还可加装一个连通器，用以观察液位，通常可用玻璃制作，且可在加足液体的位置做标记，以便于加注液体。

扰动系统可以安装在反射罩的正中间，旋转轴可以是垂直的。扰动系统也可安装在其他的位置，其旋转轴的方向也可是倾斜的(参见图3)，也可是任何其他的方向。旋转轴与电动机的转子直接相连或通过传动装置相连。若旋转叶片的旋转轴，设于浮球的旋转轴的下方，为使电动机不浸没于液体中，可通过传动装置来给旋转叶片，及其旋转轴，提供动力。若旋转叶片的旋转轴，与浮球的旋转轴一样，都置液体的上方，为避免，浮球的旋转轴旋转时，弹簧碰到旋转叶片的旋转轴，可将浮球的旋转轴制作成桶形，将旋转叶片的旋转轴，置于浮球的旋转轴之中。而这些方法，是本领域的技术人员易于想到的，故不再赘述。

而浮球与旋转叶片，也可安装在同一个旋转轴上。

此外，还可在侧板上，或液体中，设置振动源，这也可极大地增加液面变化的复杂性。如果旋转叶片是手工制作的，则扰动系统工作时，扰动系统就可能因为2个旋转叶片不对称而发生振动，则扰动系统本身就是振动源。

如果该装置中存放的液体，是水，那么金属构件(例如金属弹簧)易被腐蚀，且当水泄露时，可能对装置造成损坏(例如短路)，而且水会不断挥发，越来越少。而塑料弹簧很容易老化失效，金属弹簧则好得多。而该装置中存放的液体，也可不是水。如果该装置中存放的液体，是酒精，它就不会对金属构件造成腐蚀，也不会造成短路，但会不断挥发，还容易引起火灾、爆炸。如果该装置中存放的液体，是丙三醇、乙二醇苯醚等不易挥发的液体，它不会对金属构件造成腐蚀，也不会造成短路，也会不断挥发，而且其粘度与水的差异较大。当然也可采用其他种类的液体，而且可以将多种液体进行混合，甚至添加增稠剂，以改变粘度等物理特性，以增加液面变化的复杂性。而多种液体混合的比例，添加增稠剂的比例，也可随机确定，使每一个装置都具有唯一性，增加攻击的难度。

该装置的工作原理是：工作时，先向水槽中加入足够的水(或其他液体)，旋转轴旋转时，浮球从水表面掠过，对水加以扰动，而水波遇到水槽的侧板时，就会被反射，故水面会发生不规则的变化。光线照射到水面时，一部分光线会被折射，一部分光线会被反射，而光线反射到反射罩上，也会被再次反射(向多个不规则的方向)。而水面的不规则的变化，会导致CCD芯片上各处的光线强度，会发生不规则的变化。CCD芯片将光信号转化为电信号，最终输出即为真随机序列。这些数据可直接将其输出，也可先保存在存储器中，到需要时再输出。

由于浮球的旋转轴旋转的速度是不规则的，故浮球的线速度、角速度、旋转半径、运动方向会不规则变化。而反射回来的水波，也会与浮球形成的扰动相叠加。如果再增加扰动叶片，水面的变化就会更为复杂。该系统中，CCD芯片上的光的强度的变化情况，极为复杂(水波的综合作用是复杂的)，即使提出一个近似的数学模型，该数学模型也是复杂的，而用该数学模型进行的运算，运算量也是巨大的，故以普通的计算机是难以对其进行模拟的，更无法对其进行精确的模拟。

该装置的输出随机数的效率(码率)，主要决定于CCD芯片的像素数，及帧率。像素数、帧率越大，输出效率越高。为提高输出效率，还可增加CCD芯片的数量，但这样会使成本增加。

当这种装置中的CCD芯片的像素数及帧率足够高时，这种装置的输出随机数的效率(码率)，就可超过使用电子元件的热噪音来生成随机数的装置。而在使用的扰动系统较少、CCD芯片的像素数较低等情况下，这种装置的成本，就可低于使用混沌激光来生成随机数的装置。

当然，本发明，也可采用对另一个装置设置相同的初始条件的方法来破解，但是，这种装置对初始条件是极为敏感的，液体表面的微小变化，就会导致光线折射、反射方向的巨大变化。正因为敌手难以精确地模拟初始条件，故这种方法、装置是难以破解的。这是本发明，与其他的所谓的真随机源的，关键区别之一。

附图说明

图1该装置的结构示意图

图2该装置去除反射罩后的俯视图

图3I-I剖面的剖视图

其中：控制器1 电动机2 反射罩3 注液口4 旋转轴5 浮球6 弹簧7 旋转叶片8 CCD芯片9 侧板10 电灯11 底板12 塞子13 反光材料14 存储器15 排液口16 连通器17

具体实施方式

在实际应用中，只要采用2个扰动系统，就可使输出的数据达到很好的随机性，而这样的装置成本较低。

其中一个扰动系统安装在反射罩的正中间，旋转轴是垂直的，旋转轴上安装一个浮球，浮球与旋转轴之间用弹簧连接。此外，该旋转轴上再安装一对旋转叶片。

而另一个扰动系统不安装在反射罩的正中间，旋转轴是倾斜的。

Claims (10)

1.一种随机数发生器，其特征是，它包括侧板、底板、液体、反射罩、CCD芯片、电灯、1或多个所述的扰动系统、所述的控制器、所述的存储器、1个连通器、所述的塞子，其中，底板位于侧板的下方，反射罩位于侧板的上方，CCD芯片位于底板的下方，电灯位于反射罩上，所述的控制器与电灯、所述的扰动系统连接，反射罩上设一注液口，底板上设一排液口，所述的塞子塞在排液口处，所述的连通器的下部与侧板连接。

2.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的扰动系统，其特征是，它包括浮球、弹簧、旋转轴、电动机，其中浮球通过弹簧与旋转轴连接，旋转轴与电动机的转子直接相连或通过传动装置相连。

3.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的扰动系统，其特征是，其电动机安装在反射罩上。

4.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的扰动系统，其特征是，它包括旋转叶片、旋转轴、电动机，其中旋转叶片与旋转轴直接相连，旋转轴与电动机的转子直接相连或通过传动装置相连。

5.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的控制器，其特征是，它内置特定算法，使电流不规则变化。

6.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的底板，其特征是，它使用透明的材料制作。

7.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的底板，其特征是，在底板下方与CCD芯片不接触的部分，贴有反光材料。

8.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的侧板，其特征是，其内表面贴有反光材料，或其内表面镀有铝或银。

9.根据权利要求1所述的随机数发生器，所述的反射罩，其特征是，它用铝或不锈钢制作，或在其内表面贴有反光材料，或其内表面镀有铝或银。

10.一种真随机数的生成方法，其特征是，对液体加以扰动，并对该液体进行照射，液体下方的CCD芯片将光信号转化为数字信号，CCD芯片输出的数字信号就是需要的随机序列。