CN104834499B - 用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备和方法 - Google Patents

用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备和方法 Download PDF

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Abstract

这里公开了通过调整随机数发生器的输入电压或比较器的比较电压而使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备和方法。所述用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备包括：验证单元，用于对比较单元所采样并通过其输出的随机数值执行单比特测试，并计算冲击值。调整单元使用该单比特测试的结果值和从该验证单元输出的冲击值，来调整随机数生成单元和该比较单元的任一个的电压。

Description

用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备和方法
相关申请的交叉引用
该申请要求2014年2月12日提交的韩国专利申请第10-2014-0015806号的权益，通过引用将其由此全部合并在该申请中。
技术领域
本发明一般涉及用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备和方法，并更具体地，涉及用于使得在安全系统中使用的实随机数发生器的输出序列稳定的设备和方法。
背景技术
用于生成输出序列(关键(key)序列)的实随机数发生器的核心是提供统计随机性。一般来说，实随机数发生器使用可从自然现象提取的不可预测的、不可复制的、并且非确定性的噪声源。
使用模拟噪声源的实随机数发生器可由于周围环境或装置老化而生成有偏差的(biased)随机数。
即，由于实随机数发生器的特性每时每刻都在改变，所以输出序列的熵可降低。
换言之，如果满足周围环境和条件，则这样的实随机数发生器生成无偏差的随机数，但是如果周围环境恶化或老化，则可生成具有特定图案的可预测随机数。在该情况下，使用可预测随机数的安全系统变得易受到外部攻击。
作为相关现有技术，韩国专利申请公开第2004-0085608号(名为“Method andApparatus of Generating Random Number Using Electronic Circuit Noise”)公开了这样的技术，其提供适于使用包括电子电路的硬件实现的随机数生成设备的统计随机性。
发明内容
因此，已在紧记现有技术中出现的以上问题的情况下作出了本发明，并且本发明的目的是提供用于通过调整随机数发生器的输入电压或比较器的比较电压、来使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备和方法。
根据实现以上目的的本发明的一个方面，提供了用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备，包括验证单元，用于对比较单元所采样并通过其输出的随机数值执行单比特(monobit)测试，并计算冲击(impact)值；和调整单元，用于使用该单比特测试的结果值和从该验证单元输出的冲击值，来调整随机数生成单元和该比较单元的任一个的电压。
该验证单元可使用以下单比特测试等式来执行单比特测试：
X＝(n0-n1)2/n
其中X表示单比特测试的计算结果值，n0表示0的数目，n1表示1的数目，并且n表示比特总数。
当在单比特测试等式中(n0-n1)大于0时，冲击值可成为负(-)值，而当(n0-n1)小于0时，冲击值可成为正(+)值。
该调整单元可包括：模糊(fuzzy)函数单元，用于使用预置模糊函数使得来自该验证单元的单比特测试的结果值模糊；模糊引擎单元，用于通过向模糊规则应用来自模糊函数单元的模糊值，来执行模糊推断；和解模糊函数单元，用于将模糊引擎单元通过模糊集合所指示的模糊值变换为与所述模糊值对应的数值。
该预置模糊函数可以包括卡方检验(chi-square)分布的0.95和0.99的概率之间的值，并且相应分布值是3.84和6.64。
该调整单元可输出将从解模糊函数单元输出的值与从验证单元输出的冲击值相乘而获得的值作为调整值。
根据实现以上目的的本发明的另一方面，提供了一种用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的方法，包括：验证单元对比较单元所采样并通过其输出的随机数值执行单比特测试，并计算冲击值；和调整单元使用该单比特测试的结果值和该冲击值，来调整随机数生成单元和该比较单元的任一个的电压。
附图说明
根据结合附图进行的以下详细描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将被更加清楚地理解，其中：
图1是示出了根据本发明实施例的用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备的配置图；
图2是示出了图1中示出的调整单元的内部配置的图；
图3是示出了图2中示出的模糊函数单元的模糊函数的示例的图；
图4是示出了图2中示出的模糊规则的示例的图；
图5是示出了图2中示出的解模糊函数单元的解模糊函数的示例的图；
图6是图示了来自图1中示出的调整单元的调整值的图；
图7是图示了经由图1中示出的比较单元的比较电压的调整实现的输出序列稳定化方案的图；
图8是图示了经由图1中示出的随机数发生单元的输入电压的调整实现的输出序列稳定化方案的图；和
图9是示出了根据本发明实施例的用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的方法的流程图。
具体实施方式
本发明可按照各种方式改变并可具有各种实施例，并且下面将参考附图来详细描述特定实施例。
然而，应理解的是，那些实施例不意欲将本发明限于特定公开形式，并且它们包括本发明的精神和范围中包括的所有改变、等效或变型。
本说明书中使用的术语仅用来描述特定实施例，并且不意欲限制本发明。单数表达包括复数表达，除非在上下文中特别指出了相反描述。在本说明书中，应理解的是，诸如“包括”或“具有”的术语仅意欲指示存在特征、数字、步骤、操作、组件、部分、或其组合，并且不意欲排除将存在或添加一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、组件、部分、或其组合的可能性。
除非进行了不同的定义，否则这里使用的包括技术或科学术语的所有术语和本发明所属技术领域的技术人员一般理解的术语具有相同含义。与一般使用的字典中定义的术语相同的术语应被解释为和相关技术的上下文含义具有相同的含义，并且不被解释为理想或过分正式的含义，除非它们在本说明书中进行了明确定义。
将参考附图来详细描述本发明的实施例。在本发明的以下描述中，贯穿这些图使用相同的附图标记来指定相同或相似元件，并且将省略相同组件的重复描述。
图1是示出了根据本发明实施例的用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备的配置图。
根据本发明实施例的用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备包括随机数发生单元10、比较单元20、存储单元30、验证单元40、调整单元50、和后处理单元60。
随机数发生单元10是这样的装置，其包括作为模拟噪声源、热噪声等的二极管以执行放大。随机数发生单元10输出纯模拟信号。随机数发生单元10可包括初始化函数、输出生成函数、更新函数等。初始化函数使用利用噪声生成的熵输入，来确定操作状态的初始值。作为用来从输出生成函数的内部输出生成函数生成输出(随机数)的数据的操作状态通过初始化函数生成，并且通过更新函数和输出生成函数来更新。输出生成函数使用该操作状态来输出随机数。此外，为了防止预测性攻击，更新函数向操作状态添加新熵。该熵表示使用特定事件的结果的概率分布而确定的值。该熵越大，则越难以预测对应变量成为哪个值，并由此可认为对应变量的随机性高。
比较单元20比较从随机数生成单元10输出的模拟信号(随机数值)和特定电压，并在每一预置周期采样和输出模拟信号。例如，比较单元20可标识并采样“1”和“0”的比特图案。
存储单元30存储比较单元20所采样并输出的随机数值。例如，存储单元30可存储200000或更多比特。
验证单元40在使用存储单元30中存储的随机数值执行单比特测试的同时，计算冲击值。
这里，用于计算单比特测试的等式通过以下等式给出：
X＝(n0-n1)2/n
其中X表示所计算的单比特测试的结果值，n0表示0的数目，n1表示1的数目，而n表示比特总数。
此外，当在单比特测试等式中(n0-n1)大于0(零)时，冲击值成为负(-)值，而当(n0-n1)小于0时，冲击值成为正(+)值。
即，验证单元40对随机数生成单元10生成的并且通过比较单元20和存储单元30处理的随机数序列(随机数)执行单比特测试，并且计算1和0的分布。此外，验证单元40使用上述方案获得冲击值。
调整单元50使用验证单元40验证的值(即，单比特测试的结果值和冲击值)，来调整随机数生成单元10或比较单元20的电压。
后处理单元60对存储单元30中存储的随机数进行后处理并输出。
图2是示出了图1中示出的调整单元的内部配置的图，图3是示出了图2中示出的模糊函数单元的模糊函数的示例的图，图4是示出了图2中示出的模糊规则的示例的图，图5是示出了图2中示出的解模糊函数单元的解模糊函数的示例的图，而图6是图示了来自图1中示出的调整单元的调整值的图。
调整单元50包括模糊函数单元51、模糊引擎单元52、和解模糊函数单元54。
模糊函数单元51使用预置模糊函数使得验证单元40的验证结果(例如，单比特测试的结果值)模糊。这里，预置模糊函数包括卡方检验(chi-square)分布的0.95和0.99的概率之间的值。如图3中所示，相应分布值是3.84和6.64。按照该方式，模糊函数单元51将验证单元40的验证结果变换为其中可执行模糊推断的模糊集合。这里，模糊推断由模糊引擎单元52执行。
模糊引擎单元52通过向模糊规则53应用来自模糊函数单元51的模糊化后的值(模糊值)，来执行模糊推断。例如，如图4中图示的，模糊规则具有前提部分“IF”和结论部分“THEN”的格式，并被配置为使得，当接收到满足前提部分的条件的输入值时，结论部分的命题(proposition)成立。换言之，模糊引擎单元52使用模糊规则53将从模糊函数单元51输出的模糊值变换为输出空间的模糊集合。
解模糊函数单元54将模糊引擎单元52通过模糊集合指示的模糊值变换为与所述模糊值对应的正常数值。解模糊化具有模糊化的逆函数。例如，模糊引擎单元52中基于模糊逻辑的推断的结果可以是语言学(linguistic)表达，并由此它们必须经受经由解模糊函数单元54的解模糊化过程。解模糊化中使用的方法可包括使用组合的输出单元的模糊集合的最大值的方法、使用个别最大值的均值的方法、使用重心的方法(面积中心方法)等。解模糊函数单元54可在每一时间将其输出值调整最大0.4V，如图5中图示的那样。
从解模糊函数单元54输出的值与冲击值相乘，并如图6中图示的那样被调整。
即，调整单元50通过将从内部解模糊函数单元54输出的值(数值)与从验证单元40输出的冲击值相乘，而输出调整值。这里，如图6中图示的，可以给定调整值。
使用从调整单元50输出的调整值来调整随机数发生单元10的输入电压或调整比较单元20的比较电压。
图7是图示了经由图1中示出的比较单元的比较电压的调整实现的输出序列稳定化方案的图。
在图7中，能看出，当比较单元20的比较电压为“a”时，通过参考提取的值a来输出相对多的0。所以，能够看出，当比较单元20的比较电压经由调整单元50改变为“b”时，0和1在提取的“b”中均匀分布。这意味着使得实随机数发生器的输出序列稳定。
即，图7图示了降低比较单元20的比较电压的结果。在该情况下，在图7的比较电压“a”的情况下，比较电压高，并且由此存在将输出“0”的高概率。在该情况下，通过降低比较单元20的比较电压，可获得均匀随机数序列。
图8是图示了经由图1中示出的随机数发生单元的输入电压的调整实现的输出序列稳定化方案的图。
如图8中图示的，能看出，当随机数发生单元10的输入电压为“a”时，在提取值a中输出相对多的0。所以，能够看出，当随机数发生单元10的输入电压经由调整单元50改变为“b”时，0和1在提取的值b中均匀分布。这意味着使得实随机数发生器的输出序列稳定化。
即，图8示出了随机数生成单元10的噪声源的输出低，并由此“0”的频率可以高，如同提取的值a中那样。在该情况下，通过提高随机数生成单元10的输入电压，可获得均匀随机数序列。
图9是示出了根据本发明实施例的用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的方法的流程图。
在步骤S10，随机数生成单元10生成预定随机数序列(随机数值)。即，随机数生成单元10基于预定输入值生成随机数序列(模拟信号)。将生成的随机数序列应用到比较单元20。
然后，在步骤S20，比较单元20比较从随机数生成单元10输出的模拟信号(随机数值)和特定电压，并然后在每一预置周期处采样和输出模拟信号。
在步骤S30，存储单元30存储比较单元20所采样并从其输出的随机数值。
在步骤S40，验证单元40验证存储单元30中存储的随机数值，对存储的随机数值执行单比特测试，并在计算冲击值的同时获得单比特测试的结果值。
最后，在步骤S50，调整单元50使用验证单元40所验证的值(即，单比特测试的结果值和冲击值)，来调整随机数生成单元10的输入电压或比较单元20的比较电压。即，调整单元50使得从验证单元40输出的单比特测试的结果值模糊，执行模糊推断以基于模糊推断来生成对应模糊集合，并对模糊集合进行解模糊。因此，调整单元50将模糊集合所指示的模糊值变换为与模糊值对应的正常数值。调整单元50通过将这些数值与从验证单元40输出的冲击值相乘，来输出调整值。
因为使用这样的调整值来调整随机数生成单元10或比较单元20的电压，所以可将均匀随机数序列存储在存储单元30中，并且存储在存储单元30中的随机数序列可由后处理单元60进行后处理并输出。
根据具有以上配置的本发明，在设备老化或设备故障时，经由自我诊断来调整随机数发生器的输入电压或比较器的比较电压，使得可将该设备维持在最高作用状态中。因此，维持在最高作用状态中的实随机数发生器没有偏差，并且可生成不可预测并且具有卓越随机性的输出序列。
如上所述，已在图中和说明书中公开了本发明的最佳实施例。尽管已在本说明书中使用了特定术语，但是这些仅意欲描述本发明，而不意欲限制本其含义或所附权利要求中描述的本发明的范围。所以，本领域技术人员将理解的是，根据这些实施例的各种变型和其他等效实施例是可能的。所以，本发明的技术范围应由权利要求的技术精神限定。

Claims (8)

1.一种用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的设备，包括随机数生成单元和比较单元，并且还包括：
验证单元，用于对该比较单元所采样并从该比较单元输出的随机数值执行单比特测试，并计算冲击值；和
调整单元，用于使用该单比特测试的结果值和从该验证单元输出的冲击值，来调整该随机数生成单元的输入电压和该比较单元的比较电压中的任一个，
其中该调整单元包括：
模糊函数单元，用于使用预置模糊函数使得来自该验证单元的单比特测试的结果值模糊；
模糊引擎单元，用于通过向模糊规则应用来自该模糊函数单元的模糊值，来执行模糊推断，并生成模糊集合；和
解模糊函数单元，用于将该模糊引擎单元通过该模糊集合所指示的模糊值变换为与所述模糊值对应的正常数值，
该调整单元通过将与所述模糊值对应的正常数值与从该验证单元输出的冲击值相乘，来输出调整值，并使用所述调整值来调整该随机数生成单元的输入电压和该比较单元的比较电压中的任一个。
2.根据权利要求1的设备，其中该验证单元使用以下单比特测试等式来执行单比特测试：
X＝(n0-n1)2/n
其中X表示单比特测试的计算结果，n0表示0的数目，n1表示1的数目，并且n表示比特总数。
3.根据权利要求2的设备，其中当在单比特测试等式中(n0-n1)大于0时，冲击值成为负值，而当(n0-n1)小于0时，冲击值成为正值。
4.根据权利要求1的设备，其中该预置模糊函数包括卡方检验分布的0.95和0.99的概率之间的值，并且相应分布值分别是3.84和6.64。
5.一种用于使得实随机数发生器的输出序列稳定的方法，包括：
验证单元对比较单元所采样并从该比较单元输出的随机数值执行单比特测试，并计算冲击值；和
调整单元使用该单比特测试的结果值和该冲击值，来调整随机数生成单元的输入电压和该比较单元的比较电压中的任一个，
其中调整电压的步骤包括：
使用预置模糊函数使得该单比特测试的结果值模糊；
通过向模糊规则应用从模糊步骤获得的模糊值，来执行模糊推断，并生成模糊集合；和
将通过所述模糊推断由该模糊集合所指示的模糊值变换为与所述模糊值对应的正常数值，
该调整单元通过将与所述模糊值对应的正常数值与从该验证单元输出的冲击值相乘，来输出调整值，并使用所述调整值来调整该随机数生成单元的输入电压和该比较单元的比较电压中的任一个。
6.根据权利要求5的方法，其中所述执行单比特测试并计算冲击值的步骤包括使用以下单比特测试等式来执行单比特测试：
X＝(n0-n1)2/n
其中X表示单比特测试的计算结果，n0表示0的数目，n1表示1的数目，并且n表示比特总数。
7.根据权利要求6的方法，其中当在单比特测试等式中(n0-n1)大于0时，冲击值成为负值，而当(n0-n1)小于0时，冲击值成为正值。
8.根据权利要求5的方法，其中该预置模糊函数包括卡方检验分布的0.95和0.99的概率之间的值，并且相应分布值分别是3.84和6.64。
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GR01 Patent grant
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