CN109683851A - 随机数的生成方法、随机数生成装置、计算机存储介质 - Google Patents

随机数的生成方法、随机数生成装置、计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种随机数的生成方法、随机数生成装置、计算机存储介质，其中，该随机数的生成方法包括：利用第一随机信号生成第一随机数；以及利用第二随机信号生成第二随机数；其中，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号；将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。通过上述方式，能够使生成的随机数具有不可逆、不可预测、不可重复的性质。

Description

随机数的生成方法、随机数生成装置、计算机存储介质
技术领域
本申请涉及一种信息安全技术领域，特别是涉及一种随机数的生成方法、随机数生成装置、计算机存储介质。
背景技术
随机数广泛用于密钥产生、数字签名、密钥协商等方面，在密码应用中十分重要，随机数产方法的安全性直接影响密码系统的安全性。多数情况下，攻击者难以直接破解密码算法，而采用猜测密码算法所用的秘密随机数等迂回攻击方法，往往得到秘密随机数便可攻破整个密码系统。
随机数产生包括真随机数产生和伪随机数产生两类。真随机数产生通常基于自然界中具备随机性质的物理熵源，如掷硬币的正反面、电路噪声、环境噪声、温度变化。伪随机数产生器也称为确定性随机数产生器，即在确定输入种子的情况下，其输出也确定。伪随机数的产生一般采用软件或可编程硬件算法实现，通常需要采用具备随机性质的数据源作为熵源，以提供一串不可预测的数据作为种子。
发明内容
本申请主要提供一种随机数的生成方法、随机数生成装置、计算机存储介质，能够使产生的随机数具有不可逆、不可预测、不可重复的性质。
本申请采用的一种技术方案是提供一种随机数的生成方法，该随机数的生成方法包括：利用第一随机信号生成第一随机数；以及利用第二随机信号生成第二随机数；其中，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号；将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。
本申请采用的另一种技术方案是提供一种随机数生成装置，该随机数生成装置包括：处理器以及与处理器耦接的存储器；其中，存储器用于存储程序数据，处理器用于在执行程序数据时，实现如上述的随机数的生成方法。
本申请采用的另一种技术方案是提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质中存储有程序数据，程序数据在被处理器执行时，用以实现如上述的生成方法。
本申请提供的随机数的生成方法包括：利用第一随机信号生成第一随机数；以及利用第二随机信号生成第二随机数；其中，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号；将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。通过上述方式，通过两种不同的随机方式分别生成两个随机数，再将两个随机数进行特定运算得到新的随机数，这样避免了采用单一方式生成随机数时可能会出现的问题，保证了随机数的真随机性，同时还使生成的随机数具备了不可逆、不可预测、不可重复的性质。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请提供的随机数的生成方法一实施例的流程示意图；
图2是本申请提供的随机数的生成方法另一实施例的流程示意图；
图3是图2中步骤21的流程示意图；
图4是图3中步骤25的流程示意图；
图5是本申请提供的随机数生成装置一实施例的结构示意图；
图6是本申请提供的随机数生成装置另一实施例的结构示意图；
图7是本申请提供的随机数生成装置又一实施例的结构示意图；
图8是本申请提供的计算机存储介质一实施例的结构示意图。
具体实施方式
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1，图1是本申请提供的随机数的生成方法一实施例的流程示意图，该方法包括：
步骤11：利用第一随机信号生成第一随机数。
步骤12：利用第二随机信号生成第二随机数。
可以理解的，本实施例不对步骤11和步骤12的顺序进行要求，可以先执行步骤11，也可以先执行步骤12，还可以同时执行步骤11和步骤12。
可选的，本实施例中的第一随机数和第二随机数均为真随机数。
在一实施例中，真随机数产生通常基于自然界中具备随机性质的物理熵源，如掷硬币的正反面、电路噪声、环境噪声、温度变化。其中，本实施例中的随机数可以基于上述的随机信号来生成，即第一随机数基于第一随机信号生成，第二随机数基于第二随机信号生成，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号。例如，第一随机信号为电路噪声，第二随机信号为环境噪声。
以噪声信号为例，一般可以采用同余法或正负法的方式基于噪声信号得到随机数。
在同余法中，给定一个适当的整数M作为模，将采样点的幅值进行求余运算，可以去掉波形中的幅值、频率和波形连续性的影响，消除数据的周期性和相关性，余数将会表现出更好的随机性。如果噪声分布在比较大的范围内(远大于M)，即有足够大的部分被舍掉，通过同余法运算可以得到比较理想的随机数，近似服从U[0，1)，精度为M-1。
在同余法中，所选取的M需要足够小，若μ为采样点幅值绝对值的平均值，应使M＜μ，这样才能保证取得的余数同表征噪声总体的统计特征的采样点幅值没有直接的相关关系，可以保证在任何噪声条件下都能得到更接服从U[0，1)的随机数。
可选的，在上述的方式中，无论M被选定为多少，都可以将m个余数进行连接，用于构造精度更高的随机数，精度为M-m，连接方式为：u1＝x11M-1+x12M-2+…+x1mM-m。
在正负法中，可以将噪声理解为一种机械振动，即使短时间内是一种无特定分布的瞬态随机振动，其幅值概率密度函数也都是关于x＝0对称的，即采样点的幅值符号为正和负的概率各为50％。据此可以将正方向的采样点幅值编码为1，负方向的采样点的幅值编码为0，取比特位。具体地，按时间间隔，取m个采样点的正负比特位，连接成比特串，作为纯小数位，可以构造一个小数ui，在ui所表示的从0到2m-1的所有整数中，每一个整数出现的概率都为1/2m。因此得到的二进制数值ui为严格服从U[0，1)的随机数，精度达到2-m。
在另一实施例中，真随机数产生基于时钟信号，例如采用RTC(Real Time Clock)电路来生成一个随机数。
例如，通过RTC电路获取本地时间，利用C语言标准函数srand函数将该RTC本地时间设定为随机函数种子；再通过C语言标准函数random获取到最终的随机数。其中，该本地时间可以是设备上电时获取的，也可以是设备关机时获取并保存的，这样可以提高随机数获取的随机性。
步骤13：将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。
其中，该设定运算可以采用设定的数学运算、公式、函数等方式进行的运算。
例如，可以通过加、减、乘、除等简单数学运算，例如，第一随机数为M，第二随机数为N，其中M＞N，可以将M和N进行除法运算，将其余数作为目标随机数。
例如，可以通过逻辑运算来将第一随机数和第二随机数进行处理，如异或运算、异或非运算等。
例如，还可以利用现有的函数或者设置一专用的函数，例如y＝f(x，y)，其中，x和y分别表示已知的第一随机数和第二随机数，利用该函数可以计算目标随机数。
区别于现有技术，本实施例的随机数的生成方法包括：利用第一随机信号生成第一随机数；以及利用第二随机信号生成第二随机数；其中，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号；将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。通过上述方式，通过两种不同的随机方式分别生成两个随机数，再将两个随机数进行特定运算得到新的随机数，这样避免了采用单一方式生成随机数时可能会出现的问题，保证了随机数的真随机性，同时还使生成的随机数具备了不可逆、不可预测、不可重复的性质。
参阅图2，图2是本申请提供的随机数的生成方法另一实施例的流程示意图，该方法包括：
步骤21：利用第一随机信号生成第一种子数。
步骤22：将第一种子数进行第一设定运算以得到第一随机数。
步骤23：利用第二随机信号生成第二种子数。
步骤24：将第二种子数进行第二设定运算以得到第二随机数。
可以理解的，在上述步骤中，步骤21和步骤22顺序执行，步骤23和步骤24顺序执行，两者之间的顺序不作要求，在步骤22和步骤24执行完成之后，执行步骤25。
其中，第一种子数和第二种子数也是随机数，可以理解为生成随机数的过程中的中间随机数。例如，先利用第一随机信号生成一个随机数，然后将该随机数进行设定运算再得到另一个随机数，即第一随机数，第二随机数同理。
可选的，在一实施例中，该第一随机信号为噪声信号，如图3所示，图3是图2中步骤21的流程示意图，该步骤21可以具体包括：
步骤211：获取噪声信号。
其中，该噪声信号可以是设备电源中的噪声或者电路中的噪声。以电源噪声为例，电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz～30MHz，最高可达150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强。
具体地，可以采集电源噪声，然后将电源噪声经过一混沌电路的处理，然后得到噪声信号。混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测，这就是混沌现象。利用混沌电路对噪声信息进行处理，可以提高噪声信号的随机性。
步骤212：将噪声信号进行放大处理，以得到一中间信号。
由于噪声的幅值较小，为了后续的ADC(Analog-to-Digital Converter)采样，需要将噪声信号进行放大处理，以得到一中间信号。
可以理解的，本步骤中放大处理的具体要求可以基于后续ADC电路的采样要求。
步骤213：对第一中间信号进行ADC采样，以得到第一种子数。
例如，对连续的10个采样点进行采集，每个采样点基于其幅值确定其采样值为“1”或“0”那么可以得到一个十位二进制数，例如得到一随机的二进制数为“1001111011”，那么将其转化为十进制数为“635”。
在本实施例中，在上述的步骤22和步骤24中，得到第一种子数和第二种子数之后，需要对第一种子数和第二种子数进行特定的运算，以形成随机数。
其中，这里采用的算法可以是对称加密算法或者非对称加密算法，以非对称加密算法为例，可以是RSA算法、DSA算法、椭圆加密算法、哈希算法等。
以哈希(Hash)算法为例，哈希算法就是把任意长度的输入(又叫做预映射pre-image)通过散列算法变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。这种转换是一种压缩映射，也就是，散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，所以不可能从散列值来确定唯一的输入值。常见的Hash算法有MD2、MD4、MD5、SHA1、SHA256和SHA512。
可以理解的，第一种子数转化为第一随机数所采用的算法，和第二种子数转化为第二随机数所采用的算法，两者可以是相同的算法也可以是不同的算法。
步骤25：将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。
其中，该设定运算可以采用设定的数学运算、公式、函数等方式进行的运算。
例如，可以通过加、减、乘、除等简单数学运算，例如，第一随机数为M，第二随机数为N，其中M＞N，可以将M和N进行除法运算，将其余数作为目标随机数。
例如，可以通过逻辑运算来将第一随机数和第二随机数进行处理，如异或运算、异或非运算等。
例如，还可以利用现有的函数或者设置一专用的函数，例如y＝f(x，y)，其中，x和y分别表示已知的第一随机数和第二随机数，利用该函数可以计算目标随机数。
可选的，如图4所示，图4是图3中步骤25的流程示意图，步骤25可以包括：
步骤251：将第一随机数和第二随机数进行第三设定运算，以得到一中间数。
例如，这里可以采用异或运算。
步骤252：将中间数进行第四设定运算，以得到目标随机数。
例如，这里可以采用哈希运算。
下面通过一详细的例子对上述步骤进行介绍。
1、首先，生成第一种子数a和第二种子数b；
2、然后，对第一种子数a进行哈希运算，以得到第一随机数a1；其中a1为N(正整数)位二进制数；
以及，对第二种子数b进行哈希运算，以得到第二随机数b1；其中，b1为N位二进制数；
3、将a1和b1进行异或运算，得到c；其中，具体将a1和b1的相同位数进行异或运算，c为N位二进制数；
4、将c进行哈希运算，以得到根哈希值c1，即需要的目标随机数。
本实施例增加了特定的算法对随机数进行处理，特别是哈希算法使得整个随机数的生成过程是不可逆的。在随机数应用于加密、安全领域时，增加了其保密性和安全性。
参阅图5，图5是本申请提供的随机数生成装置一实施例的结构示意图，随机数生成装置50包括第一随机数生成电路51、第二随机数生成电路52以及目标随机数生成电路53。
其中，第一随机数生成电路51和第二随机数生成电路52分别与目标随机数生成电路53耦接。
其中，第一随机数生成电路51利用第一随机信号生成第一随机数；第二随机数生成电路52利用第二随机信号生成第二随机数；其中，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号；目标随机数生成电路53将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。
参阅图6，图6是本申请提供的随机数生成装置另一实施例的结构示意图，随机数生成装置60包括电源61、混沌电路62、放大电路63、ADC采样电路64、第一哈希运算电路65、RTC电路66、第二哈希运算电路67、异或运算电路68和第三哈希运算电路69。
一方面，电源61产生的噪声，具有随机性和不可预测性。电路噪声通过混沌电路62产生随机噪声，随机噪声经过放大电路63放大，将噪声幅值放大到ADC采样电路64的采样要求，以提升采样精度。然后，通过高精度ADC采样电路64，生成噪声随机种子数。对该噪声随机种子数进行第一哈希运算电路65的哈希运算生成第一随机数。
另外，通过高精度RTC电路66，生成一个时钟种子数，再经过第二哈希运算电路67的哈希运算生成第二随机数。
最后，将两个哈希值(即第一随机数和第二随机数)经过异或运算电路68的异或运算后，再进行最后的第三哈希运算电路69的哈希运算，生成最终根哈希值，即需要的目标随机数。
参阅图7，图7是本申请提供的随机数生成装置又一实施例的结构示意图，该随机数生成装置70包括处理器71以及与处理器71耦接的存储器72。
其中，存储器72用于存储程序数据，处理器71用于在执行程序数据时，实现如下的方法步骤：
利用第一随机信号生成第一随机数；以及利用第二随机信号生成第二随机数；其中，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号；将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。
可选的，处理器71用于在执行程序数据时，还实现如下的方法步骤：利用第一随机信号生成第一种子数；将第一种子数进行第一设定运算以得到第一随机数；利用第二随机信号生成第二种子数；将第二种子数进行第二设定运算以得到第二随机数。
可选的，处理器71用于在执行程序数据时，还实现如下的方法步骤：获取噪声信号；将噪声信号进行放大处理，以得到一中间信号；对第一中间信号进行ADC采样，以得到第一种子数。
可选的，处理器71用于在执行程序数据时，还实现如下的方法步骤：采集电源噪声；将电源噪声经过混沌电路处理，以得到噪声信号。
可选的，处理器71用于在执行程序数据时，还实现如下的方法步骤：将第一随机数和第二随机数进行第三设定运算，以得到一中间数；将中间数进行第四设定运算，以得到目标随机数。
参阅图8，图8是本申请提供的计算机存储介质一实施例的结构示意图，该计算机存储介质80中存储有程序数据81，该程序数据81在被处理器执行时，用以实现如下的方法步骤：
利用第一随机信号生成第一随机数；以及利用第二随机信号生成第二随机数；其中，第一随机信号和第二随机信号是不同的信号源生成的信号；将第一随机数和第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。
本申请的实施例以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种随机数的生成方法，其特征在于，包括：
利用第一随机信号生成第一随机数；以及
利用第二随机信号生成第二随机数；其中，所述第一随机信号和所述第二随机信号是不同的信号源生成的信号；
将所述第一随机数和所述第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数。
2.根据权利要求1所述的随机数的生成方法，其特征在于，
所述利用第一随机信号生成第一随机数的步骤，包括：
利用第一随机信号生成第一种子数；
将所述第一种子数进行第一设定运算以得到第一随机数；
所述利用第二随机信号生成第二随机数的步骤，包括：
利用第二随机信号生成第二种子数；
将所述第二种子数进行第二设定运算以得到第二随机数。
3.根据权利要求2所述的随机数的生成方法，其特征在于，
所述第一随机信号为噪声信号；
所述利用第一随机信号生成第一种子数的步骤，包括：
获取噪声信号；
将所述噪声信号进行放大处理，以得到一中间信号；
对所述第一中间信号进行ADC采样，以得到所述第一种子数。
4.根据权利要求3所述的随机数的生成方法，其特征在于，
所述获取噪声信号的步骤，包括：
采集电源噪声；
将所述电源噪声经过混沌电路处理，以得到所述噪声信号。
5.根据权利要求2所述的随机数的生成方法，其特征在于，
所述第二随机信号为实时时钟信号。
6.根据权利要求2所述的随机数的生成方法，其特征在于，
所述第一设定运算和所述第二设定运算均为哈希运算。
7.根据权利要求1所述的随机数的生成方法，其特征在于，
所述将所述第一随机数和所述第二随机数进行设定运算以得到需要的目标随机数的步骤，包括：
将所述第一随机数和所述第二随机数进行第三设定运算，以得到一中间数；
将所述中间数进行第四设定运算，以得到所述目标随机数。
8.根据权利要求7所述的随机数的生成方法，其特征在于，
所述第三设定运算为异或运算；和/或
所述第四设定运算为哈希运算。
9.一种随机数生成装置，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器耦接的存储器；
其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于在执行所述程序数据时，实现如权利要求1-8任一项所述的随机数的生成方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有程序数据，所述程序数据在被处理器执行时，用以实现如权利要求1-8任一项所述的随机数的生成方法。
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