CN109271135A - 真随机数生成系统及其真随机数生成的方法 - Google Patents

Abstract

一种真随机数生成系统及其真随机数生成的方法。真随机数生成系统包括侦测模块、模拟数字转换模块、记忆模块及处理模块。侦测模块用以侦测参数信号以产生模拟侦测信号。模拟数字转换模块用以将模拟侦测信号转换为多个数字信号。处理模块用以统计多个数字信号，并得到多个取样值。处理模块确认各取样值的数量，其中当各取样值的数量的差距小于或等于特定比例时，处理模块借由第一算法产生真随机数；当各取样值的数量的差距大于特定比例，处理模块借由第二算法产生真随机数值。

Description

真随机数生成系统及其真随机数生成的方法

技术领域

本发明涉及一种真随机数生成系统及其真随机数生成的方法，特别是一种能利用单一信号产生真随机数的真随机数生成系统及其真随机数生成的方法。

背景技术

随机数使用在各领域，尤其是对于密码学与网络安全上。一般来说，随机数可以分为真随机数(Ture random number)与伪随机数(Pseudo-random number)。伪随机数通常是通过程序产生，产生的随机数实际上并不随机，所以对于密码学与网络安全来说是不足的。另外真随机数常见的作法为测量电子组件的信号或噪声来产生随机数，例如Linux系统会收集周边装置的电子信号，也就是鼠标的移动、键盘的输出等，作为随机数值产生的依据。当使用者需要随机数值时，就利用该些电子信号来得到。然而，若要用收集周边装置的电子信号的方式来产生随机数，周边装置的数量要越多越好，才能避免产生的随机数值不平均。但对于嵌入式系统来说，就没有办法具有较多的周边装置。因此嵌入式系统可能要额外设置真随机数生成器(True Random Number Generator，TRNG)的硬件架构于其内，或是要将少数的电子信号的排列组合或算术运算的方式成新的随机数。不管哪种方式都会造成成本的大幅增加。

因此，有必要发明一种新的真随机数生成系统及其真随机数生成的方法，以解决现有技术的缺失。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种真随机数生成系统，其具有能利用单一信号产生真随机数的效果。

本发明的另一主要目的是提供一种用于上述真随机数生成系统的真随机数生成的方法。

为达成上述的目的，本发明的真随机数生成系统包括侦测模块、模拟数字转换模块、记忆模块及处理模块。侦测模块用以侦测参数信号以产生模拟侦测信号。模拟数字转换模块电性连接侦测模块，用以执行多个取样程序将模拟侦测信号转换为多个数字信号。记忆模块用以储存第一算法及第二算法。处理模块电性连接模拟数字转换模块及记忆模块，用以统计多个数字信号，并得到多个取样值。处理模块确认各取样值的数量，其中当各取样值的数量的差距小于或等于特定比例时，处理模块借由读取记忆模块储存的第一算法并采用第一算法产生真随机数；当各取样值的数量的差距大于特定比例，处理模块借由读取记忆模块储存的第二算法并采用第二算法产生真随机数。

本发明的真随机数生成的方法包括以下步骤：侦测参数信号以产生模拟侦测信号；执行多个取样程序将模拟侦测信号转换为多个的数字信号；统计多个的数字信号，并得到多个的取样值；确认各取样值的数量是否小于或等于特定比例；当各取样值的数量的差距小于或等于特定比例时，使用第一算法产生真随机数；当各取样值的数量的差距大于特定比例，使用第二算法产生真随机数值。

附图说明

图1是本发明的真随机数生成系统的架构示意图。

图2是本发明的选用算法的步骤流程图。

图3是本发明的真随机数生成的方法第一算法的步骤流程图。

图4是本发明的真随机数生成的方法的第二算法的步骤流程图。

符号说明：

1 真随机数生成系统

10 侦测模块

20 模拟数字转换模块

30 记忆模块

31 第一算法

32 第二算法

40 处理模块

具体实施方式

为能更了解本发明的技术内容，特举较佳具体实施例说明如下。

以下请先参考图1，本发明的真随机数生成系统的架构示意图。

本发明的真随机数生成系统1可以为桌面计算机系统、笔记本电脑系统、或是平板计算机系统等，但本发明并不限于此。真随机数生成系统1用以利用单一信号来产生真随机数值。于本发明的一实施方式中，真随机数生成系统1包括侦测模块10、模拟数字转换模块20、记忆模块30及处理模块40。侦测模块10用以侦测参数信号以产生模拟侦测信号。参数信号可以为侦测的温度、湿度、压力等外在环境参数或是其他任何的非规律的模拟信号，但本发明并不限于此。

模拟数字转换模块20电性连接侦测模块10，用以执行多个取样程序将模拟侦测信号转换为多个数字信号。模拟数字转换模块20可以借由设定取样率(Sample rate)及分辨率(resolution)的方式决定可以得到多精细的数字信号。由于模拟信号转数字信号的方式已经被本发明所属技术领域技术人员所熟悉，故在此不再赘述其原理。记忆模块30用以储存要用来产生随机数值的第一算法31及第二算法32。

处理模块40电性连接模拟数字转换模块20及记忆模块30，用以统计多个数字信号，并得到多个取样值。于本发明的一实施方式中，处理模块40用以将多个数字信号除以2得到的余值，以作为多个取样值，也就是判断原数字信号是奇数或偶数，若数字信号是奇数，取样值就为1，若数字信号是偶数，取样值就为0。但本发明并不限于上述的取样方式。接着处理模块40确认各取样值的数量，以判断当各取样值的数量的差距是否小于或等于特定比例，于此实施例中为确认取样值为0或1的数量各为多少。于本发明的一实施方式中，特定比例为0-10％，但本发明并不限于此数值。当确认取样值为0或1的数量差距5％时，例如当取样值为0的数量占了55％，取样值为1的数量占了45％，可代表取样的分布较平均。当各取样值的数量的差距小于或等于特定比例时，处理模块40先借由读取记忆模块30储存的第一算法31，使用第一算法31产生真随机数。另外若各取样值的数量的差距大于特定比例，例如取样值为0的数量占了70％，取样值为1的数量占了30％，可代表取样的分布不平均。处理模块40借由读取记忆模块30储存的另外的第二算法32，使用第二算法32产生真随机数。

关于第一算法31及第二算法32的详细流程请参考图3及4的步骤，在此先不赘述。

需注意的是，真随机数生成系统1具有的各模块可以为硬件装置、软件程序结合硬件装置、韧体结合硬件装置等方式架构而成，但本发明并不以上述的方式为限。此外，本实施方式仅例示本发明的优选实施例，为避免赘述，并未详加记载所有可能的变化组合。然而，本领域技术人员应可理解，上述各模块或组件未必皆为必要。且为实施本发明，也可能包含其他较细节的现有模块或组件。各模块或组件皆可能视需求加以省略或修改，且任两模块间未必不存在其他模块或组件。

接着请参考图2，本发明的真随机数生成的方法的步骤流程图。此处需注意的是，以下虽以上述真随机数生成系统1为例说明本发明的真随机数生成的方法，但本发明的真随机数生成的方法并不以使用在上述相同结构的真随机数生成系统1为限。

首先可进行步骤200：侦测参数信号以产生模拟侦测信号。

首先利用侦测模块10侦测参数信号，以产生模拟侦测信号。参数信号可以为侦测的温度、湿度等外在参数，但本发明并不限于此。

接着进行步骤201：执行多个取样程序将模拟侦测信号转换为多个数字信号。

接着模拟数字转换模块20借由设定取样率(Sample rate)及分辨率(resolution)的方式将模拟侦测信号转换为多个数字信号。

接着进行步骤202：统计多个数字信号，并得到多个取样值。

处理模块40用以统计多个数字信号，并得到多个取样值。例如处理模块40用以将多个数字信号除以2得到的余值，以作为多个取样值，但本发明并不限于上述的取样方式。例如当多个数字信号为1111、1011、1010时，其取样值就会变成1、1、0。

接着进行步骤203：确认各取样值的数量是否小于或等于特定比例。

接着处理模块40确认各取样值的数量，以判断当各取样值的数量的差距是否小于或等于特定比例。于本发明的一实施方式中，特定比例为0-10％，但本发明并不限于此数值。

当各取样值的数量的差距小于或等于特定比例时，进行步骤204：使用第一算法产生真随机数。

于此步骤204中请一并参考图3，本发明的真随机数生成的方法的第一算法的步骤流程图。

首先进行步骤301：设定目标值及指标值。

处理模块40要产生多个字符的真随机数值时，先设定目标值及指标值。此目标值具有N位元，例如当要产生3位元的真随机数值时，目标值先设定为具有3位元的0。指标值的作用是用以得知要指向目标值的其中一位元，指标值的初始值设定为1，即代表先指向目标值的第一位元。需注意的是，本实施方式中以3位元为例进行说明，但本发明并不限定真随机数值的位元数。

其次进行步骤302：执行取样程序以得到取样值，其中当取样值为奇数时，根据指标值设定目标值的一位元为1，其中当取样值为偶数时，根据指标值设定目标值的该位元为0。

例如若原始的数字信号为1111时，其取样值就会变成1，处理模块40就会将目标值的第一位元代入1。若原始的数字信号为1010，其取样值就会变成0，处理模块40就会将目标值的第一位元代入0。

接着进行步骤303：判断指标值是否等于N。

接着处理模块40判断此时指标值是否已经等于N，即代表处理模块40判断是否已经填满了目标值的所有位元。如果指标值小于N，代表尚未填满目标值的所有位元，因此先执行步骤304将指标值加1，并回到步骤302中再次执行新的取样及代入的流程。

若指标值是否已经等于N时，执行步骤305：得到真随机数值。

此时若指标值等于N时，代表已经目标值的所有位元都已经被代入，因此处理模块40就可以得到真随机数值。

并需注意的是，为了让得到的真随机数值能够分布更平均，在产生下一个真随机数值时，可以将步骤302的设定相反。也就是当取样值为奇数时，处理模块40设定位元为0，当其中取样值为偶数时，处理模块40设定该位元为1。因此若取样值为1、1、0时，新的真随机数值就会变成0、0、1。

另外当各取样值的数量的差距大于特定比例时，进行步骤205：使用第二算法产生真随机数。

处理模块40借由读取记忆模块30储存的另外的第二算法32以对多个的取样值进行计算。

于此步骤205中请一并参考图4，本发明的真随机数生成的方法的第二算法的步骤流程图，本实施例的第二算法为von Neumann’s algorithm，但本发明并不限于此。

首先步骤401：设定目标值、指标值及暂存数组。

首先处理模块40要利用第二算法产生多个字符的真随机数值时，先设定目标值、指标值及暂存数组。目标值具有N位元，指标值的初始值为1，而暂存数组则具有两位元，例如设定为[0,0]。

其次进行步骤402：执行取样程序两次以得到两取样值，将两取样值依序填入暂存数组的两位元。

此时，暂存数组就可能成为[1,0]、[0,1]、[1,1]或[0,0]这四种结果。

接着进行步骤403：判断暂存数组是否为[1,1]或[0,0]。

处理模块40先判断目前暂存数组是否为[1,1]或[0,0]。当暂存数组连续两位元为相同的值时重新执行步骤402。

若暂存数组两位元数不同，进行步骤404：若暂存数组为[1,0]时，根据指标值设定目标值的一位元为1，若暂存数组为[0,1]时，根据指标值设定目标值的该位元为0。

于此步骤404中，若依序填入两取样值得到暂存数组为[1,0]时，处理模块40根据指标值的值以设定目标值的一位元为1，若依序填入两取样值得到暂存数组为[0,1]时，处理模块40根据指标值的值以设定目标值的一位元为0。

接着进行步骤405：判断指标值是否等于N。

与步骤303类似，接着处理模块40判断此时指标值是否已经等于N，即代表处理模块40判断是否已经填满了目标值的所有位元。如果指标值小于N，代表尚未填满目标值的所有位元，因此先执行步骤406将指标值加1，并回到步骤402中再次执行新的取样及代入的流程。

若指标值已经等于N时，执行步骤407：得到真随机数值。

此时若指标值等于N时，代表已经目标值的所有位元都已经被代入，因此处理模块40就可以得到真随机数值。

使用本发明的真随机数生成系统1的第一或第二算法，就可以借由单一的参数信号以得到真随机数值，不须额外的硬件架构，利用现有产品即可达成，可以有效地节省成本。

此处需注意的是，本发明的真随机数生成的方法并不以上述的步骤次序为限，只要能达成本发明的目的，上述的步骤次序也可加以改变。

需注意的是，上述实施方式仅例示本发明的优选实施例，为避免赘述，并未详加记载所有可能的变化组合。然而，本领域技术人员应可理解，上述各模块或组件未必皆为必要。且为实施本发明，也可能包含其他较细节的现有模块或组件。各模块或组件皆可能视需求加以省略或修改，且任两模块间未必不存在其他模块或组件。只要不脱离本发明基本架构者，皆应为本专利所主张的权利范围，而应以权利要求书为准。

Claims (14)

1.一种真随机数生成系统，其特征在于，所述真随机数生成系统包括：

侦测模块，用以侦测参数信号以产生模拟侦测信号；

模拟数字转换模块，电性连接所述侦测模块，用以执行多个取样程序将所述模拟侦测信号转换为多个数字信号；

记忆模块，用以储存第一算法或第二算法；以及

处理模块，电性连接所述模拟数字转换模块及所述记忆模块，用以统计所述多个数字信号，并得到多个取样值，所述处理模块确认各所述取样值的数量，其中当各所述取样值的数量的差距小于或等于特定比例时，所述处理模块借由读取所述记忆模块储存所述第一算法对所述多个取样值进行计算；当各所述取样值的数量的差距大于所述特定比例，所述处理模块借由读取所述记忆模块储存的所述第二算法以对所述多个取样值进行计算，借以得到真随机数值。

2.如权利要求1所述的真随机数生成系统，其特征在于，所述处理模块用以将所述多个数字信号除以2得到的余值作为所述多个取样值。

3.如权利要求1所述的真随机数生成系统，其特征在于，所述特定比例为0-10％。

4.如权利要求1所述的真随机数生成系统，其特征在于，所述第一算法用以产生多个字符的所述真随机数值，所述第一算法为：

(a)设定目标值及指标值，其中所述目标值具有N位元，指标值的初始值为1；

(b)执行所述取样程序以得到取样值，其中当所述取样值为奇数时，根据所述指标值设定所述目标值的一位元为1，其中当所述取样值为偶数时，根据所述指标值设定所述目标值的该位元为0；以及

(c)将所述指标值加1，以重复执行步骤(b)直到所述指标值等于N，以得到所述真随机数值。

5.如权利要求4所述的真随机数生成系统，其特征在于，所述第一算法进一步包括将步骤(b)的设定相反以得到另一真随机数值。

6.如权利要求1所述的真随机数生成系统，其特征在于，所述第二算法用以产生多个字符的所述真随机数值，所述第二算法为：

(a)设定目标值、指标值及暂存数组，其中所述目标值具有N位元，所述指标值的初始值为1，所述暂存数组具有两位元；

(b)执行所述取样程序两次以得到两取样值，将所述两取样值依序填入所述暂存数组的两位元；

(c)若所述暂存数组为[1,0]时，根据所述指标值设定所述目标值的一位元为1，若所述暂存数组为[0,1]时，根据所述指标值设定所述目标值的该位元为0，若所述暂存数组为[1,1]或[0,0]时，重新执行步骤(b)；以及

(d)将所述指标值加1，以重复执行步骤(b)、(c)直到所述指标值等于N，以得到所述真随机数值。

7.如权利要求1所述的真随机数生成系统，其特征在于，所述参数信号为温度值、湿度值或压力值。

8.一种真随机数生成的方法，用于真随机数生成系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

侦测参数信号以产生模拟侦测信号；

执行多个取样程序将所述模拟侦测信号转换为多个数字信号；

统计所述多个数字信号，并得到多个取样值；

确认各所述取样值的数量是否小于或等于特定比例；

当各所述取样值的数量的差距小于或等于所述特定比例时，借由第一算法以对所述多个取样值进行计算；

当各所述取样值的数量的差距大于所述特定比例，借由第二算法对所述多个取样值进行计算；以及

得到真随机数值。

9.如权利要求8所述的真随机数生成的方法，其特征在于，还包括将所述多个数字信号除以2得到的余值作为所述多个取样值的步骤。

10.如权利要求8项所述的真随机数生成的方法，其特征在于，所述特定比例为0-10％。

11.如权利要求8项所述的真随机数生成的方法，其特征在于，所述第一算法用以产生多个字符的所述真随机数值，利用所述第一算法进行计算的步骤包括：

(a)设定目标值及指标值，其中所述目标值具有N位元，指标值的初始值为1；

(b)执行所述取样程序以得到取样值，其中当所述取样值为奇数时，根据所述指标值设定所述目标值的一位元为1，其中当所述取样值为偶数时，根据所述指标值设定所述目标值的该位元为0；以及

(c)将所述指标值加1，以重复执行步骤(b)直到所述指标值等于N，以得到所述真随机数值。

12.如权利要求11项所述的真随机数生成的方法，其特征在于，利用所述第一算法进行计算的步骤进一步包括将步骤(b)的设定相反以得到另一真随机数值。

13.如权利要求8所述的真随机数生成的方法，其特征在于，所述第二算法用以产生多个字符的所述真随机数值，利用所述第二算法进行计算的步骤包括：

(a)设定目标值、指标值及暂存数组，其中所述目标值具有N位元，所述指标值的初始值为1，所述暂存数组具有两位元；

(b)执行所述取样程序两次以得到两取样值，将所述两取样值依序填入所述暂存数组的两位元；

(c)若所述暂存数组为[1,0]时，根据所述指标值设定所述目标值的一位元为1，若所述暂存数组为[0,1]时，根据所述指标值设定所述目标值的该位元为0，若所述暂存数组为[1,1]或[0,0]时，重新执行步骤(b)；以及

(d)将所述指标值加1，以重复执行步骤(b)、(c)直到所述指标值等于N，以得到所述真随机数值。

14.如权利要求8所述的真随机数生成的方法，其特征在于，侦测所述参数信号的步骤为侦测温度值、湿度值或压力值。