CN115373635A - 一种基于液体分子布朗运动的真随机数发生器 - Google Patents

一种基于液体分子布朗运动的真随机数发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真随机数发生器，其包括随机数采集单元和随机数生成单元。所述随机数采集单元包括：耐高压的封闭透明液体池，其内盛有做布朗运动的颗粒形成的混合物；高速显微成像设备，其周期性地拍摄所述混合物内部切面以获得多帧图片。所述随机数生成单元包括：数字化处理器，其处理所述多帧图片，以得到初步随机数串A0；后处理器，其对A0进行处理，以得到随机数列。

Description

一种基于液体分子布朗运动的真随机数发生器
本申请为中国专利申请号为CN201710326230，名称为一种基于液体分子布朗运动的真随机数发生器的分案申请。
技术领域
本申请涉及随机数发生器，并且更具体地说，涉及一种基于液体分子布朗运动的真随机数发生器。
背景技术
随机数在密码学、仿真、集成电路测试等领域有重要作用。随机数序列通常是随机二进制序列组合，按照是否可再现、可预测，可以将随机数分为伪随机数和真随机数。伪随机数并不是真正地随机，它们通常是由诸如计算机等各种电子设备计算得出的，因此一旦知道了其生成方法以及一些参数(例如随机数种子)，就可得到完全相同的伪随机数，从而面临被破译的风险，因此，为了通信的安全性，需要能够产生真随机数的发生器。
真随机数通常只能通过物理现象获得。常见的真随机数的熵源例如但不限于电路噪声、宇宙噪声、放射性衰变等。当前的真随机数发生器通常基于电路噪声等来产生真随机数，但是所述噪声通常较小，很难直接准确地对其进行测量和量化，通常的做法是对其放大后进行测量。然而，由于放大器并非绝对线性放大，因此对较小的噪声放大后所得到的电流信号的随机性势必受到影响。其他的真随机数产生方法，例如利用亚稳态的触发器来产生真随机数，则通常存在随机性不够等问题。
另外，随着通信速率的提高，还存在对高速真随机数发生器的需要，以满足不断提高的通信速率的要求。
发明内容
本发明提供了一种高速的真随机数发生器，其以液体布朗运动作为熵源，通过周期性地拍摄布朗运动并对拍摄的图片进行数字化处理来提供高速且具有足够随机性的真随机数列。
所述真随机数发生器包括随机数采集单元和随机数生成单元。所述随机数采集单元包括：耐高压的封闭透明液体池，其内盛有由无色透明胶质液体和在所述无色透明胶质液体内做布朗运动的颗粒形成的混合物，以及用来容纳所述无色透明胶质液体在高压下膨胀的真空密封空间；高速显微成像设备，其周期性地拍摄所述混合物内部切面以获得多帧图片。所述随机数生成单元包括：数字化处理器，其将由所述高速显微成像设备每次拍摄得到的所述多帧图片中的每一帧图片置于平面直角坐标系中，画出网格，遍历所述网格中的所有交叉点并分析所述交叉点周围的灰度，以获得所述交叉点代表的随机数，进而得到对应于所述每一帧图片的初步随机数串A0；后处理器，其对所述数字化处理器处理得到的所述初步随机数串A0进行处理，以得到随机数列；其中，所述高速显微成像设备在所述透明液体池的一侧对准所述透明液体池内的混合物的中间部分进行拍摄，所述高速显微成像设备的对侧具有附着在所述透明液体池的池壁上的、有助于所述拍摄的白色垫片，并且其中，所述高速显微成像设备电连接到所述随机数生成单元。
附图说明
图1是随机数采集单元中的耐高压的封闭透明液体池100的示图；
图2是随机数采集单元中的耐高压的封闭透明液体池100以及其内的混合物210和真空密封空间220的示图。
图3是由随机数采集单元中的高速显微成像设备周期性地拍摄的、所述封闭透明液体池100内的所述混合物210的内部切面300。
图4是由随机数生成单元中的数字化处理器进行的、将所拍摄的一帧图片去掉周围部分后选取中间部分置于平面直角坐标系中进行数字化处理以得到初步随机数串A0的示图400。
图5是由随机数生成单元中的后处理器进行的、对所述初步随机数串A0进行处理以产生最终的真随机数列的过程示图500。
图6是真随机数发生器的整体示图600。
本领域技术人员应当理解，为了清楚起见，在附图中没有示出某些公知的装置。另外，附图中所示出的示例是仅出于说明的目的而示出的，而不旨在限制本发明的保护范围。
具体实施方式
为了提供高速且具有足够随机性的真随机数列，本发明提供了一种高速的真随机数发生器，其以液体布朗运动作为熵源，通过周期性地拍摄布朗运动并对拍摄的图片进行数字化处理来提供高速的真随机数列。下面结合各附图来详细地描述本发明。
图1是随机数采集单元中的耐高压的封闭透明液体池100的示图。在图1中，所述液体池100是空的，并且处于尚未封闭的状态。所述液体池100是透明的，以便于高速显微成像设备对其进行拍摄。另外，虽然在图1中示出了所述透明液体池是具有一定形状的，但是本领域技术人员应当理解，所述透明液体池可以是能够实现本发明目的的任意种类和形状的透明液体池。
图2是随机数采集单元中的耐高压的封闭透明液体池100以及其内的混合物210的示图。在该示图中，所述液体池100盛有高度为目标刻度的、无色透明胶质液体与颗粒的混合物210，所述颗粒在所述无色透明胶质液体内做布朗运动。所述示例是通过向图1中所示的空的液体池100内加入所述颗粒至目标刻度的一半，再向所述液体池内加入所述胶质液体至所述目标刻度来实现的。所述先加入颗粒至目标刻度的一半，再加入胶质液体至所述目标刻度的步骤是为了使得所述封闭液体池内所述颗粒的体积等于所述颗粒与所述胶质液体体积之和的一半，从而使得所述混合物中任一点是否被所述颗粒占据的机会均等。
在图2所示的示例中，在所述混合物210达到所述目标刻度之后，将所述透明液体池100抽真空并密封。在以上示例中，所述目标刻度低于所述封闭液体池的高度，所述封闭液体池100中高于所述目标刻度的部分是用来容纳所述无色透明胶质液体在高压下膨胀的真空密封空间220。
在以上示例中，所述颗粒可以与所述无色透明胶质液体密度相同。所述颗粒还可以是直径在0.01-0.1mm的黑色不溶于水的颗粒。例如，所述黑色不溶于水的颗粒可以是例如通过过筛法得到的金刚砂粉尘。
所述随机数采集单元还可以包括温度计，所述温度计可以测量所述透明液体池内的所述混合物的温度。所述温度计可以是内置的或者无线的。
所述随机数采集单元还可以包括加热器，所述加热器可以对所述封闭透明液体池以及其内部混合物进行加热，使得所述内部混合物保持低于所述无色透明胶质液体的沸点的目标温度。
另外，所述随机数采集单元包括高速显微成像设备，所述高速显微成像设备周期性地拍摄所述封闭透明液体池内的所述混合物的内部切面图片以获得多帧图片。
以上所述的封闭透明液体池及其内部的混合物、温度计、加热器和高速显微成像设备构成了所述真随机数发生器的随机数采集单元。虽然出于清楚的目的，图1和图2中没有示出所述温度计、加热器和高速显微成像设备，但是本领域技术人员应当理解，为了实现本发明的目的，所述真随机数发生器可以包括能够实现本发明目的的、任意类型的以上所述的温度计、加热器和高速显微成像设备。
参照图3，图3是由所述随机数采集单元中的高速显微成像设备周期性地拍摄的、所述封闭透明液体池内的所述混合物的内部切面300。所述高速显微成像设备可以周期性地对所述混合物210的内部切面300进行拍摄，并且每拍摄一次，可以得到多帧图片。所述高速显微成像设备进行的拍摄可能是高速的，以有助于该真随机数发生器能够快速地产生真随机数列。例如，所述高速显微成像设备可以每N秒拍摄一次，其中N<0.1。所述高速显微成像设备进行拍摄的速度可以基于通信速率的要求来调整，从而满足不断提高的通信速率的要求。所述高速显微成像设备可以在所述透明液体池的一侧对准所述透明液体池内的混合物的中间部分进行拍摄。所述高速显微成像设备的对侧可以具有附着在所述透明液体池的池壁上的白色垫片，以避免不相关的物体被所述高速显微成像设备拍摄到。所述高速显微成像设备还可以电连接到所述随机数生成单元，以将拍摄得到的图片数据传输给所述随机数生成单元进行处理。
图4是由随机数生成单元中的数字化处理器进行的、将所拍摄得到的其中一帧图片去掉周围部分后选取中间部分置于平面直角坐标系中进行数字化处理以得到初步随机数串A0的示图400。将所述图片去除周围部分而选取中间部分是为了排除液体池壁对液体分子布朗运动的影响，从而保证所进行数字化处理的图片部分中的分子的运动是真随机的。
在本发明中，进行所述数字化处理的装置可以称为数字化处理器(未示出)。所述数字化处理器可以通过以下步骤来对由所述高速显微成像设备每次拍摄得到的多帧图片中的每一帧图片进行数字化处理，以得到对应于所述每一帧图片的初步随机数串A0：将所述每一帧图片去掉周围部分后选取中间部分置于平面直角坐标系中，按照间距为0.1mm画出网格，选取所述网格的交叉点作为随机数串A0中的第i个数值点xi取值的位置(i>0,i∈N)；令所述xi的初始值全部为0；不重复地遍历所选取的中间部分中的所有交叉点并分析该交叉点周围直径0.01mm范围内的灰度，如果所述灰度大于50％，则令所述xi＝1。本领域技术人员应当理解，所述不重复地遍历所选取的中间部分中的所有交叉点可以按照能够不重复地遍历所述所有交叉点的任意顺序来进行。经过以上操作之后，得到对应于每一帧图片的初步随机数串A0。
随后，可以对所述初步随机数串A0进行后处理，在本发明中，进行所述后处理的装置可以称为后处理器(未示出)。以上所述的数字化处理器以及所述后处理器构成本申请所描述的真随机数发生器中的随机数生成单元。所述数字化处理器和后处理器可以是能够执行本发明中所描述的功能的各种市售计算机处理器或微处理器，其例如INTEL酷睿I5系列或I7系列处理器，或者STM32系列等单片机处理器。
图5是由随机数生成单元中的后处理器进行的、对所述初步随机数串A0进行处理以产生最终的真随机数列的过程示图500。所述后处理器可以通过以下步骤来对所述初步随机数串A0进行处理：对所述随机数串A0使用冯-诺依曼校正，抛弃无输出的数据串A1′，产生随机数列A1；对所抛弃的数据串A1′丢弃第一个数字后进行异或链校正，得到随机数列A2；将所述随机数列A2拼接到所述随机数列A1后，以得到对应于所述每一帧图片的随机数列A3。所述异或链的级数可以取决于随机数需求。例如，如果要求满足较高的均匀性和随机性，可以将级数提高到8级，而如果对随机数产生效率要求较高，则可以适当地降低该级数。
经过所述后处理器的上述处理之后，得到的是对应于每一帧图片的随机数列A3。然而，所述高速显微成像设备每拍摄一次可以得到多帧图片，其中每一帧图片都对应于一个随机数列A3，因此所述后处理器还可以将对应于每次拍摄得到的多帧图片的多个随机数列A3进行拼接，以得到对应于每次拍摄的随机数列A4。本领域技术人员应当理解，所述拼接是按照能够不重复地遍历每次拍摄得到的多帧图片中的每一帧图片的任意顺序来进行的。
此外，如上所述，所述高速显微成像设备对所述混合物内部切面的拍摄可以是周期性地进行的，并且每拍摄一次，可以得到多帧图片。所述高速显微成像设备进行的拍摄可能是高速的，以有助于该真随机数发生器能够快速地产生真随机数列。例如，所述高速显微成像设备可以每N秒拍摄一次，其中N<0.1。因此，所述后处理器还可以将对应于周期性拍摄中的每次拍摄的多个随机数列A4进行拼接，以得到随机数列A5。本领域技术人员应当理解，所述拼接是按照能够不重复地遍历所述周期性拍摄中的每次拍摄的任意顺序来进行的。
此外，为了进一步提高以上得到的随机数列A5的随机性，所述后处理器还可以将所述随机数列A5进行异或周期序列校正，以得到随机数列A6。所述随机数列A6即为本发明中所描述的真随机数发生器的最终输出。
图6是真随机数发生器的整体示图600。在所述示图中，可以看出，高速显微成像设备620的对侧具有附着在所述透明液体池100的池壁上的白色垫片650，以避免不相关的物体被所述高速显微成像设备拍摄到；所述高速显微成像设备620还可以电连接到所述随机数生成单元610，以将拍摄得到的图片数据传输给所述随机数生成单元进行处理。如所示，可以具有2台及以上的高速显微成像装置620，使随机数生产效率加倍。真随机数发生器的整体示图600还示出了温度计630和加热器640，其如以上参考图2所描述的那样进行操作。
本发明所描述的真随机数发生器能够快速地生成真随机数列，以满足不断提高的通信速率的要求，并且其产生的真随机数列以液体分子的布朗运动作为熵源，并且在产生最终输出的随机数列的过程中经过了校正，能够克服随机性不够等问题，同时，其数字损失小、随机数生产效率高(可达到5-10GBPS)。

Claims (10)

1.一种真随机数发生器(600)，包括：随机数采集单元和随机数生成单元(610)，
所述随机数采集单元包括：
耐高压的封闭透明液体池(100)，其内盛有由无色透明胶质液体和在所述无色透明胶质液体内做布朗运动的颗粒形成的混合物(210)，以及用来容纳所述无色透明胶质液体在高压下膨胀的真空密封空间(220)；高速显微成像设备(620)，其周期性地拍摄所述混合物内部切面以获得多帧图片；
所述随机数生成单元(610)包括：
数字化处理器，其将由所述高速显微成像设备每次拍摄得到的所述多帧图片中的每一帧图片置于平面直角坐标系中，画出网格，遍历所述网格中的所有交叉点并分析所述交叉点周围的灰度，以获得所述交叉点代表的随机数，进而得到对应于所述每一帧图片的初步随机数串A；
后处理器，其对所述数字化处理器处理得到的所述初步随机数串A0进行处理，以得到随机数列；
所述数字化处理器被配置在：
对所述高速显微成像设备(620)每次拍摄得到的多帧图片中的每一帧图片进行数字化处理以得到对应于所述每一帧图片的初步随机数串A0：
将所述每一帧图片去掉周围部分后选取中间部分置于平面直角坐标系中，按照间距为0.1mm画出网格，选取所述网格的交叉点作为随机数串A0中的第i个数值点xi取值的位置(i>0,i∈N)；
令所述xi的初始值全部为0；
不重复地遍历所选取的中间部分中的所有交叉点并分析该交叉点周围直径0.01mm范围内的灰度，如果所述灰度大于50％，则令所述xi＝1；
其中，所述不重复地遍历所选取的中间部分中的所有交叉点是按照能够不重复地遍历所述所有交叉点的任意顺序来进行的。
所述后处理器被配置在：
对所述随机数串A0使用冯-诺依曼校正，抛弃无输出的数据串A1′，产生随机数列A1；
对所抛弃的数据串A1′去掉第一个数字后进行异或链校正，得到随机数列A2；
将所述随机数列A2拼接到所述随机数列A1后，以得到对应于所述每一帧图片的随机数列A3；
其中，所述异或链的级数取决于随机数需求。
2.根据权利要求1所述的真随机数发生器(600)，其中，所述随机数采集单元还包括：
温度计(630)，其测量所述封闭透明液体池(100)内部的混合物(210)的温度，其中，所述温度计(630)是内置的或者无线的；
加热器(640)，其对所述封闭透明液体池(100)以及其内部混合物(210)进行加热，使得所述内部混合物(210)保持低于所述无色透明胶质液体的沸点的目标温度。
3.根据权利要求1所述的真随机数发生器(600)，其中，所述随机数采集单元中的所述封闭液体池(100)内所述颗粒的体积等于所述颗粒与所述胶质液体体积之和的一半，以使得所述混合物(210)中任一点是否被所述颗粒占据的机会均等。
4.根据权利要求1所述的真随机数发生器(600)，其中，在所述随机数采集单元的所述液体池中做布朗运动的所述颗粒是与所述无色透明胶质液体密度相同的直径在0.01-0.1mm的黑色不溶于水的颗粒。
5.根据权利要求4所述的真随机数发生器(600)，其中，所述黑色不溶于水的颗粒可以但不限于是金刚砂粉尘。
6.根据权利要求1所述的真随机数发生器(600)，其中，所述高速显微成像设备(620)的拍摄周期是N秒，其中N<0.1。
7.根据权利要求1所述的真随机数发生器(600)，其中，所述后处理器还被配置在：
所述后处理器还通过以下步骤来对所述初步随机数串A0进行处理：
将对应于每次拍摄得到的多帧图片的多个随机数列A3进行拼接，以得到对应于每次拍摄的随机数列A4；
其中，所述拼接是按照能够不重复地遍历每次拍摄得到的多帧图片中的每一帧图片的任意顺序来进行的。
8.根据权利要求1所述的真随机数发生器(600)，其中，所述后处理器还被配置在：
所述后处理器还通过以下步骤来对所述初步随机数串A0进行处理：
将对应于周期性拍摄中的每次拍摄的多个随机数列A4进行拼接，以得到随机数列A5；
其中，所述拼接是按照能够不重复地遍历所述周期性拍摄中的每次拍摄的任意顺序来进行的。
9.根据权利要求1所述的真随机数发生器(600)，其中，所述后处理器还被配置在：
所述后处理器还通过以下步骤来对所述初步随机数串A0进行处理：
将所述随机数列A5进行异或周期序列校正，以得到随机数列A6。
10.根据权利要求2所述的真随机数发生器(600)，其中，所述随机数采集单元还被配置在：
向空的液体池内加入所述颗粒至目标刻度的一半，再向所述液体池内加入所述胶质液体至所述目标刻度，以使得所述随机数采集单元中的所述封闭液体池(100)内所述颗粒的体积等于所述颗粒与所述胶质液体体积之和的一半；
随后，将所述封闭液体池抽真空并密封；
其中，所述目标刻度低于所述封闭液体池(100)的高度，所述封闭液体池(100)中高于所述目标刻度的部分是所述用来容纳所述无色透明胶质液体在高压下膨胀的真空密封空间(220)。
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