CN111142844B - 一种轻量级真随机数生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻量级真随机数生成方法，其方法步骤如下：(1)根据加速度计和陀螺仪的信号生成手机的空间运动轨迹特征；(2)将初始五秒钟的空间运动轨迹特征作为参考值；(3)此后实时采集到的运动轨迹特征参数与参考值进行比较，正向偏离参考值的输出比特“1”，反向偏离参考值的输出比特“0”；(4)上一步输出的比特串长度达到指定值时，用选定的哈希函数对其取杂凑，将杂凑输出即为产生的随机数序列。本发明有益效果是：将加速度计和陀螺仪两种传感器数据进行融合，获得手机运动轨迹信息，根据轨迹范围和幅度等产生随机比特；可以构成独立的随机数生成模块，提升加速度计和陀螺仪采集数据的随机性、不可预测性和不可重现性。

Description

一种轻量级真随机数生成方法
技术领域
本发明属于信息安全和密码方法，具体涉及一种轻量级真随机数生成方法。
背景技术
随机数是信息安全和密码应用中的重要资源，可以作为加密算法中的填充字段以保证语义安全性，或者作为认证协议中的一次性新鲜数以保证谁性，甚至作为临时会话密钥直接对用户数据进行加密。随机数质量的优劣对信息安全具有决定性的影响。好的随机数一般要求满足随机性、不可预测、不可重现等。当前各种具有安全性要求的手机APP应用越来越多。由于缺乏有效的优质随机数产生方法，这些APP应用即使采用了相对安全的加密算法或认证协议，其安全性仍然难以满足要求。因此在手机上快速生成各种类型的随机数，特别是高质量的真随机数的需求日益迫切。
现有的手机APP应用主要通过两种方法获得所需要的随机数。一是利用手机操作系统应用编程接口(API)所提供的伪随机函数来生成。这种方法所得到的“随机数”既不满足不可预测性，也不满足不可重现性。二是利用手机天线采集的无线电信号中的随机噪声来生成。这种方法一方面要求手机天线具有较大的接收带宽，另一方面采集过程需要独占手机天线，影响手机最重要的通信功能。而且这种方法的开发以及与APP集成的难度都较大。可见现有的方法要么难得到真随机数，要么实现的难度和代价较大。
发明内容
本发明针对上述问题，本发明的目的在于一种轻量级真随机数生成方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种轻量级真随机数生成方法，利用目前绝大多数手机内置的加速度计和陀螺仪两种传感器实时产生任意长度的真随机数。当手机APP在应用中需要真随机数时，通过屏幕提示用户握持手机连续作随机动作，APP后台实时采集加速度计的陀螺仪的运动参数，并通过混淆算法产生随机数。采集过程中，手机屏幕显示进度条，当采集获得的参数足以生成所要求长度的真随机数时，进度条满格退出，并切换回APP应用主流程。
真随机数生成模块可以实现为手机操作系统中一个基础API，也可以实现为安全APP的一个独立模块。安全APP调用真随机数生成模块，并输入所需随机数的长度。然后APP应提示用户随机挥动手机。此时真随机数生成模块检测加速度计和陀螺仪的运动状态，如其运动状态难以满足随机数生成要求，则向APP发送错误信息，由APP在手机屏幕上显示必要的提示。当加速度计和陀螺仪的运动状态满足要求时，随机数生成模块根据其采集的信号进行运算并生成所需的随机数并发送成功完成信息。
一种轻量级真随机数生成方法，其方法步骤如下：
1、根据加速度计和陀螺仪的信号生成手机的空间运动轨迹特征；
2、将初始五秒钟的空间运动轨迹特征作为参考值；
3、此后实时采集到的运动轨迹特征参数与参考值进行比较，正向偏离参考值的输出比特“1”，反向偏离参考值的输出比特“0”；
4、上一步输出的比特串长度达到指定值时，用选定的哈希函数对其取杂凑，将杂凑输出即为产生的随机数序列。
步骤1，手机的空间运动轨迹特征是指在手机运动轨迹的若干基准点上的三轴加速度、三维位移。
步骤2中，生成当前随机数生成过程的手机基本运动轨迹，选取当前轨迹的特征点，特征点为拐点、轨迹中点，并计算这些特征点上各种运动参数的平均值作为参考值。
步骤2中，取加速度计和陀螺仪两种传感器数值的共同突变点，这些点构成轨迹的拐点，连续两个拐点之间的中间时刻大致为轨迹中点；因此共有两个拐点和来回两个中点。
步骤2中，在5秒内，拐点和中点的加速度计和陀螺仪取值各自取和并求平均值作为参考值。
步骤3中，对后续拐点和中点采样的数值与各自的参考值进行比较，正偏离得到比特“1”，负偏离得到比特“0”。
步骤3中，如果用户的随机动作不符合要求，可以提示用户；由于用户不可能保持完全相同的力度作动作，因此偏离具有明显的随机性，返回步骤1。
本发明具有的有益效果是：
1、仅加速度计和陀螺仪这两个辅助传感器的信号采集功能；
2、将加速度计和陀螺仪两种传感器数据进行融合，获得手机运动轨迹信息，根据轨迹范围和幅度等产生随机比特；
3、直接调用辅助传感器提供标准开发接口即可实现，不需要访问手机操作系统底层功能，权限基本不受限制；
4、可以构成独立的随机数生成模块，进一步封装成随机数生成API供手机APP按需调用；
5、按照需求产生指定长度的随机数序列；
6、实时引导或提示改变手机运动的模式，提升加速度计和陀螺仪采集数据的随机性、不可预测性和不可重现性。
具体实施方式
以下通过实施方式对本发明作进一步的说明。
一种轻量级真随机数生成方法，其方法步骤如下：
1.考虑用户作随机挥动的典型做法是握持手机摆动或挥动，其轨迹通常为快速往返。取加速度计和陀螺仪两种传感器数值的共同突变点，这些点构成轨迹的拐点，连续两个拐点之间的中间时刻大致为轨迹中点。因此共有两个拐点和来回两个中点。
2.在5秒内，拐点和中点的加速度计和陀螺仪取值各自取和并求平均值作为参考值。
3.后续拐点和中点采样的数值与各自的参考值进行比较，正偏离得到比特“1”，负偏离得到比特“0”。
4.如果用户的随机动作不符合要求，可以提示用户。
5.由于用户不可能保持完全相同的力度作动作，因此偏离具有明显的随机性，返回步骤1。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种轻量级真随机数生成方法，其特征在于：
方法步骤如下：
(1)、根据加速度计和陀螺仪的信号生成手机的空间运动轨迹特征；
(2)、将初始五秒钟的空间运动轨迹特征作为参考值；
(3)、此后实时采集到的运动轨迹特征参数与参考值进行比较，正向偏离参考值的输出比特“1”，反向偏离参考值的输出比特“0”；
(4)、上一步输出的比特串长度达到指定值时，用选定的哈希函数对其取杂凑，将杂凑输出即为产生的随机数序列；
步骤1，手机的空间运动轨迹特征是指在手机运动轨迹的若干基准点上的三轴加速度、三维位移；
步骤2中，生成当前随机数生成过程的手机基本运动轨迹，选取当前轨迹的特征点，特征点为拐点、轨迹中点，并计算这些特征点上各种运动参数的平均值作为参考值；
上述步骤2中，取加速度计和陀螺仪两种传感器数值的共同突变点，这些点构成轨迹的拐点，连续两个拐点之间的中间时刻大致为轨迹中点；因此共有两个拐点和来回两个中点。
2.根据权利要求1所述的一种轻量级真随机数生成方法，其特征在于：步骤2中，在5秒内，拐点和中点的加速度计和陀螺仪取值各自取和并求平均值作为参考值。
3.根据权利要求1或2所述的一种轻量级真随机数生成方法，其特征在于：步骤3中，对后续拐点和中点采样的数值与各自的参考值进行比较，正偏离得到比特“1”，负偏离得到比特“0”。
4.根据权利要求3所述的一种轻量级真随机数生成方法，其特征在于：步骤3中，如果用户的随机动作不符合要求，可以提示用户；由于用户不可能保持完全相同的力度作动作，因此偏离具有明显的随机性，返回步骤1。
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