ES2402125T3 - Generador de datos estadísticos no deterministas - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de generación de bits aleatorios Un procedimiento de generación de bits aleatorios no deterministas y no periódicos que comprende lasno deterministas y no periódicos que comprende las etapas de: proporcionar una pluralidad de generad etapas de: proporcionar una pluralidad de generadores de ruido (22); proporcionar un disparador (20ores de ruido (22); proporcionar un disparador (20) basándose en una entrada del mundo exterior; mue) basándose en una entrada del mundo exterior; muestrear la señal de salida de uno de los generadorestrear la señal de salida de uno de los generadores de ruido (22) al proporcionarse el disparador (2s de ruido (22) al proporcionarse el disparador (20); y generar un primer número aleatorio basándose0); y generar un primer número aleatorio basándose en el valor de la señal muestreada, caracterizado en el valor de la señal muestreada, caracterizado porque la identidad del generador de ruido (22) q porque la identidad del generador de ruido (22) que se va a muestrear se determina basándose en un ue se va a muestrear se determina basándose en un número aleatorio previo generado. número aleatorio previo generado.

Description

Generador de datos estadísticos no deterministas

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

La presente solicitud está relacionada con, y reivindica la prioridad de, la solicitud de patente provisional de Estados Unidos número 60/917.096 presentada el 10 de mayo de 2007.

Campo de la invención

La invención se refiere a la generación de datos estadísticos no deterministas. Más específicamente, la invención se refiere a un generador de entropía, verdaderamente aleatorio.

Antecedentes de la invención

La generación de datos no determinista es una búsqueda ávida en la ciencia que se remonta a hace un siglo y medio. En algunos círculos científicos los datos verdaderamente aleatorios se consideran como una representación de la esencia de la vida y la materia misma. Aunque lentas, técnicas clandestinas de captura de datos no deterministas se encuentran en práctica actualmente en los cursos universitarios que oscilan desde el estudio de la estadística a la física del reflujo y flujo de las mareas y la mutación de los genes a lo largo de la evolución humana. Como además los seres humanos se adaptan a los ordenadores modernos para ayudar en el estudio científico, el apetito por la aleatoriedad aumenta proporcionalmente.

Cuando los números aleatorios se extraen de los datos verdaderamente no deterministas, pueden usarse en un amplio intervalo de aplicaciones de negocios que oscilan desde las loterías equitativas, los estudios estocásticos en las finanzas, las máquinas de póquer y aplicaciones de seguridad para los negocios.

En su famosa cita al respecto de la aleatoriedad, John von Neumann establece claramente que "Toda persona que considere procedimientos aritméticos para producir dígitos aleatorios está, por supuesto, en un estado de pecado. Ya que, como se ha señalado en diversas ocasiones, no hay tal cosa como un número aleatorio hay sólo procedimientos para producir números aleatorios, y un procedimiento aritmético estricto, por supuesto, no es tal procedimiento”. John von Neumann, “Various techniques used in connection with random digits", en A.S. Householder, G.E. Forsythe, y HH Germond, eds., Procedimiento Monte Carlo, National Bureau of Standards Applied Mathematics Series, 12 (Washington, D.C.: Oficina de impresión del Gobierno de los Estados Unidos, 1951): 36-38.

Los ordenadores están diseñados a propósito para ser máquinas de estado. Hoy en día, un ordenador de escritorio promedio puede ejecutar 100 millones de instrucciones por segundo. Los programas de ordenador se basan fundamentalmente en cálculos matemáticos. Producir datos verdaderamente aleatorios desde algoritmos informáticos, sin importar cuán difícil o aparentemente complejo puede ser el algoritmo, no es posible. Los programas de ordenador son capaces de producir datos que aparecen, estadísticamente, de forma aleatoria de todas las maneras y para algunas aplicaciones bastarán estos datos pseudoaleatorios. Otras aplicaciones requieren datos para ser verdaderamente aleatorias. Los datos verdaderamente aleatorios se destilan de eventos físicos verdaderamente aleatorios. Este procedimiento de destilación no necesita basarse únicamente en un "blanqueamiento" o compensación de software para la distribución sesgada. Si se capturan desde más de un tipo de fuente física y en una pluralidad de cada tipo de fuente, la entropía puede permitirse elegir su propia ruta en términos de una distribución aleatoria. La resistencia de un flujo aleatorio de bits de esta naturaleza se obtiene de la diversidad del origen de sus semillas y de la libertad de las semillas para interactuar con un sincronismo no determinista, no periódico a lo largo del procedimiento de muestreo.

Un ejemplo de un procedimiento conocido de generación de números aleatorios de este tipo se desvela en el documento US 6 253 223 B1.

En MURRY H F: "A General Approach for Generating Natural Random Variables" IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, volumen. c-19, número 12, Diciembre de 1970 (1970-12), páginas 1210-1213, XP002169916 IEEE SERVICE CENTER, LOS ALAMITOS, CA. ISSN: 0018-9340, hay descrito un procedimiento de generación de bits aleatorios no determinista y no periódico de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Este documento de MURRY H F proporciona un antecedente de los generadores de números aleatorios y describe un circuito de la técnica anterior para tratar de generar números aleatorios.

Es contra estos antecedentes, y limitaciones y problemas asociados con ellos, por lo que se ha desarrollado la presente invención.

Para lograr esto, el procedimiento de generación de bits aleatorios no deterministas y no periódicos de la presente invención comprende las características de acuerdo con la parte de caracterización de la reivindicación 1.

De acuerdo con la presente invención, el procedimiento de generación de datos estadísticos aleatorios no deterministas y no periódicos comprende las etapas de proporcionar una pluralidad de generadores de ruido, proporcionar un disparador basándose en una entrada del mundo exterior; muestrear la señal de salida de uno de los generadores de ruido tras la disposición del disparador; generar un primer número aleatorio basándose en el valor de la señal muestreada; y en el que la identidad del generador de ruido que se va a muestrea se determine basándose en un número aleatorio previo generado.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama generalizado de una realización preferida de la presente invención; La figura 2 es un diagrama detallado de una realización preferida de la presente invención; La figura 3 es un diagrama de un sistema que incorpora un generador de datos estadísticos no deterministas para entregar los datos estadísticos no deterministas a un ordenador cliente localizado de forma remota desde el generador de datos estadísticos no deterministas y para el almacenamiento por el cliente para su uso en un momento posterior de acuerdo con una realización de la invención; y La figura 4 es un diagrama de un circuito de la construcción de un dispositivo de acuerdo con una realización de la presente invención.

Descripción de la realización preferida

Aunque esta invención es susceptible de realización en muchas formas diferentes, se muestra en los dibujos y en el presente documento se describirá en detalle realizaciones preferidas de la invención con el entendimiento de que la presente divulgación se considera como una ejemplificación de los principios de la invención y no está destinada a limitar el amplio aspecto de la invención a las realizaciones ilustradas.

La presente divulgación comprende un procedimiento, un sistema y un dispositivo para la captación de entropía imparcial estadísticamente usando múltiples bits aleatorios que destilan fuentes asíncronas, no deterministas, usando microprocesadores y múltiples algoritmos de comprobación aleatoria, y la distribución de bits aleatorios para su uso mediante sistemas informáticos remotos para cualquier procedimiento de software. En la realización preferida, el sistema emplea tres diferentes mecanismos de reloj asíncrono electrónicos. Dos de los diferentes mecanismos de reloj asíncrono electrónicos, forman parte de los detectores de radiación gamma (contadores Geiger Mueller). Los dos mecanismos de reloj asíncrono electrónicos, sirven como salvaguardias para proporcionar redundancia a todo el sistema y para añadir un seguro de que los bits aleatorios seleccionados son verdaderamente aleatorios y para mantener cualidades no deterministas para el periodo de vida de los bits generados. Los dos mecanismos de reloj asíncrono electrónicos, sirven como disparadores para iniciar y detener el flujo de entropía de múltiples generadores de ruido aleatorio de una manera no determinista. Un tercer mecanismo de reloj asíncrono electrónico, puede proporcionarse también para cambiar el estado general del sistema de una manera no determinista aumentando así la dificultad de adivinar el estado del sistema en un momento dado.

En una realización preferida, la invención emplea una pluralidad de elementos que generan números aleatorios y una pluralidad de fuentes de números aleatorios. Además, la divulgación contiene un sistema de dos microcontroladores interdependientes para recoger los datos de las fuentes de números aleatorios.

A este respecto y con referencia a la figura 1, se proporciona un primer procesador 10 y un segundo procesador 12. El primer procesador 10 comprende un temporizador 24 de ocho bits que cuenta desde 0-255. Los procesadores 10 y 12 son preferiblemente microcontroladores PICmicro 18F4xxx. Los microcontroladores muestran a los generadores de ruido usando sus convertidores A/D instalados y responden a las interrupciones generadas por los eventos de desintegración nuclear detectados.

Las entradas 14-18 al temporizador 24 son dos tubosG 20, que comprenden tubos Geiger Mueller, y cuatro cajasN 22 que comprenden los generadores de ruido semiconductores. Se entenderá por parte de un experto en la materia que mientras la realización preferida se describe con respecto a los tubos de Geiger Mueller, cualquier entrada del mundo exterior puede usarse en lugar de los contadores Geiger Mueller, tales como entradas de la frecuencia de radio detectada o de los diversos sistemas climatológicos. La entrada podría ser de un sistema cuántico o caótico. Los tubosG 20 se exponen a un isótopo radioactivo, preferiblemente el Cs-137 que es un emisor beta primario y un emisor gamma secundario.

Las cajasN 22 comprenden preferiblemente ocho diodos zener que están acoplados a la AC de un amplificador operacional de alta ganancia con una ganancia de alrededor de 2000x. Cuando un tuboG 20 detecta un evento radiactivo, el otro tuboG 20 se anula mediante una función OR. Tras la detección de un evento en uno de los tubosG 20, se muestrea un valor desde el temporizador 24 de ocho bits y el valor del temporizador 24 se envía al segundo procesador 12.

El primer procesador muestrea un valor de 10 bits de una de las cajasN 22, y los ocho bits más bajos se recortan del valor de 10 bits y se convierten en el siguiente estado inicial del temporizador 24.

El segundo procesador 12 funciona como el primer procesador 10, excepto en que sólo comprende un tuboG 20, y en que el procesador 12 es también responsable de la transmisión de los números aleatorios a una fuente solicitante. Como resultado, el temporizador 24 del segundo procesador 12 comprende sólo una entrada 26. Por otra parte, los valores del primer procesador 10 y del segundo procesador 12 se pasan a través de una función XOR para determinar si un número aleatorio irá desde el primer procesador 10 o desde el segundo procesador 12.

Se muestra una posibilidad adicional en mayor detalle en la figura 2. Las cuatro cajasN 22 del primer procesador 10 suministran señales de ruido aleatorias analógicas a una lógica 30 de desplazamiento de cajaN, que determina cuál de las salidas de la cajaN se usará por el primer procesador 10, y muestra y convierte la señal analógica en un valor digital de 10 bits. Los 8 bits más bajos de la señal analógica muestreada se almacenan en adresl 32 y los dos bits más altos se almacenan en adresh 34. El byte más alto, adresh 34, contiene solamente dos bits, pero todavía se le referencia como un byte con los seis bits más altos siempre iguales a cero.

Los tubosG 20 usan un temporizador, conocido como tmr0 en el gráfico, cuyo estado actual se almacena como un valor de dieciséis bits disponible como dos bytes, tmr0h 36 y tmr0l 38.

La lógica 30 de desplazamiento de cajaN muestrea datos de forma continua desde las cuatro cajasN 22, de una en una. La cajaN 22, que se selecciona como la fuente siguiente, se determina mediante los dos bits inferiores del resultado anterior.

Se asignan valores a varios registros mediante la lógica 30 de desplazamiento de cajaN. El analog-pick 40 asume el valor literal de adresl 32, y este registro se usa para seleccionar la siguiente fuente cajaN 22, como se mencionó anteriormente. El analog-reg 42 almacena el resultado de la función XOR de sí mismo y de adresl 32. El topbits 44 es un registro de 8 bits que actualiza dos bits a la vez desde adresh. El bufferpick 46 tiene el valor de adresl 32. A continuación, se realiza una operación de módulo para producir un valor entre cero y BUFLEN menos 1, tal como se describe a continuación.

Tras la señal de baja a alta de un tuboG 20, el primer procesador 10 interrumpe, inmediatamente, lo que está haciendo y registra los valores del temporizador correspondientes en tmrl-reg 48 y tmrh-reg 50. De esta manera, la lógica del tuboG 20 trabaja de forma asíncrona para actualizar su estado. Actualizan su estado a través del temporizador de la lógica de desplazamiento. El tmr0l 30 se actualiza a través de tmr0l_output al pasarle la función xor a ciphertext, mientras que tmr0h 50 se actualiza mediante tmr0h_output al pasarle la función xor a ciphertext. Después de que los valores de los temporizadores, tmr0l 36 y tmr0h 38 se almacenen, se asignan al azar usando la función xor de analog-reg 42 con los dos bytes contingentes (uno por cada registro) que se referencian mediante el buffer-pick 46. El primer byte está en la localización descrita por el buffer-pick 46, el segundo byte se extrae de la localización anterior.

El sistema 52 de registro EFB contiene un registro que tiene el número limitado de salidas anteriores transformadas. La longitud de este registro se determina por la constante BUF_LEN. El EFB 52 se actualiza después de cada nuevo resultado de adresl 32 y adresh 34. El EFB 52 no depende de un nuevo valor Geiger, ya que nunca puede garantizarse.

El EFB 52 usa tres registros y una memoria intermedia. Los registros se denominan reg1 54, reg2 56 y ciphertext 58. Los datos se mueven de manera circular y se transforman en cada ciclo, a menos que se tengan en la memoria 60 intermedia. El reg1 54 y el reg2 56 se usan para transformar datos que se mueven a través del ciclo, reg1 54 contiene el producto de la función xor de sí mismo, tmrl_ reg 48 y analog_reg 42. El reg2 56 contiene el producto de la función xor de sí mismo, tmrh_reg 50 y topbits 44. El ciphertext 58 es el registro de salida. El flujo de datos comienza con el byte contenido en el final de la memoria 60 intermedia. A este byte se le realiza la función xor con el reg2 56 y se almacena en el ciphertext 58. A continuación, al ciphertext 58 se le realiza la función xor con el reg1 54 y se almacena en el comienzo de la memoria intermedia.

En la figura 2, el segundo procesador 12 funciona de la misma manera que el primer procesador 10, excepto que sólo se usa un tuboG 20 preferiblemente en el segundo procesador 12 y el segundo procesador recibe la salida del primer procesador 10 como una entrada y realiza la función XOR a la salida del primer procesador 10 con la salida del segundo procesador 12 y entrega el resultado.

En la figura 3, el dispositivo que genera un número aleatorio descrito anteriormente se muestra de forma esquemática como el número de referencia 100. El generador 100 de datos estadísticos no deterministas se comunica con un servidor central 102 que entrega datos estadísticos no deterministas a diversos servidores 104 cliente que solicitan datos estadísticos no deterministas a través de una red 106 de área local o ancha, tal como internet. A continuación, el soporte lógico 108 almacena los datos estadísticos no deterministas recibidos en un conjunto 110 aleatorio hasta que se soliciten.

La transmisión de datos aleatorios se realiza usando un interfaz serie RS232 convencional. La velocidad de transmisión en baudios en la interfaz es preferiblemente variable entre 1,2 Kb/s a 230 Kb/s.

La segunda mitad de la invención es un ordenador integrado en una sola placa por separado que sirve como un ordenador central dedicado. El ordenador central recoge la entropía sin procesar de la invención y usa este flujo junto con un cifrado de clave simétrica arbitrario en el modo CBC. Basándose en los datos sin procesar se deriva una clave y se recoge y se cifra una cantidad arbitraria de datos. También, basándose en los datos sin procesar se conoce un valor como el factor compuesto. Este valor es arbitrario. Para el diseño de referencia, este valor puede ser cualquier número entero entre 0 y 31, inclusive. El uso del factor compuesto se implementa reciclando los estados anteriores del conjunto de la entropía para el número de veces que el valor tiene. Cada composición se realiza mediante un cambio de claves del cifrado, la recopilación de los datos originales, y el cifrado de tanto los datos originales y el estado anterior de la máquina. Después de que el número de iteraciones es igual que el del

5 factor compuesto, el estado interno del programa se reinicia y el estado anterior se vacía.

Cuando transmite datos a sus clientes, el servidor 102 mantiene una serie de grupos de entropía interrelacionados. Ningún grupo puede contener un conjunto contiguo de datos generados por el generador 100 de datos estadísticos no deterministas. En su lugar, los bloques para cada grupo se muestrean de manera no determinista usando datos no procesados del generador 100 de datos estadísticos no deterministas. También, los bloques se transmiten fuera 10 de orden. En efecto, ninguno (o múltiples n) de los usuarios puede reconstruir efectivamente los datos y extrapolar cualquier estructura que se pueda usar a partir de los datos. El mecanismo está diseñado para hacer que sea imposible determinar en cualquier grado de certeza en qué estado estaba la máquina cuando se produjo la entropía.

Un generador de datos estadísticos no deterministas de acuerdo con la realización preferida puede suministrar a 100 servidores suficiente entropía para generar al menos 359.424 enteros no deterministas de 128 bits por servidor por

15 cada período de 24 horas.

En una realización alternativa, el diseño divide la única placa de circuito impreso de la primera realización en 2 placas separadas. Una primera placa actúa como una placa de instrumentación y comprende dos generadores de ruido, por ejemplo contadores Geiger, en lugar de los ocho generadores de ruido de la primera realización. Reduciendo el número de generadores de ruido, se consiguen velocidades de muestreo y velocidades de 20 procesamiento más rápidas. En la segunda realización, se pueden añadir fácilmente muchos más elementos asíncronos cuando sea necesario y de esta manera, el nuevo diseño es modular. La segunda placa de circuito impreso es la placa del procesador. Se usa un procesador en lugar de dos como en la primera realización. La placa del procesador maneja los datos que vienen desde la placa de instrumentación y trata los datos de una manera optimizada matemáticamente como se describe en la primera realización. Cuando los datos están listos para la

25 salida, los datos se llevan a través de un único puerto Ethernet 10/100 a una velocidad de alrededor de 6-7 megabits por segundo.

Puede construirse un dispositivo ejemplar de acuerdo con la presente invención a partir de la realización mostrada en la figura 4 con los componentes descritos a continuación.

Cantidad

RefDes Pieza # Descripción Paquete Tipo

2

R1,R2 263-10M-RC Resistencia de 10MΩ Xicon 1206 "1206" SMT

2

C1,C2 0603YC105KAT2A Condensador Cerámico de 1.0uF AVX 0603 "0603" SMT

1

IC3 MC14049UBDR2G Inversor ON Semi 4049 SOIC16 SMT

2

Q1,Q2 BCW66G Transistor Fairchild SOT-23 SMT

2

R5,R6 -CRCW0603100KJNEA 0603 100K Vishay "0603" SMT

1

U7 AP1117Y33L-13 Diodos Inc 3.3V Lin Reg SOT-89 SMT

4

C4,C5, C6,C7 C2012X5R1A225K Condensador Cerámico de 2.2uF TDK 0805 "0805" SMT

1

IC4 MC7812AECT 12Lin Req Fairchild TO-220 Thru

2

R3,R4 RK73H2ATTD4703F 0805 470KΩ KOA "0805" SMT

1

U3 4824-6000-CP Zócalo 3M 24 clavijas DIP DIP24 Thru

1

J1 90130-1240 Cabeza C-Grid de 40 clavijas Molex Thru Thru

2

U1,U2 AD7276BRM Dispositivo analógico de A/D MSOP-8 SMT

2

IC1.IC2 SMN7103H Generador de ruido Micronetics Atípico Sin plomo

Los ejemplos anteriores muestran que la invención, como se define por las reivindicaciones, tiene una aplicación de

30 largo alcance y no debería limitarse simplemente a las realizaciones mostradas y descritas en detalle. En cambio, la invención debería limitarse únicamente a las palabras explícitas de las reivindicaciones, y las reivindicaciones no deberían limitarse arbitrariamente a las realizaciones mostradas en la memoria descriptiva. El ámbito de protección está limitado únicamente por el ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (19)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Un procedimiento de generación de bits aleatorios no deterministas y no periódicos que comprende las etapas de:

   proporcionar una pluralidad de generadores de ruido (22); proporcionar un disparador (20) basándose en una entrada del mundo exterior; muestrear la señal de salida de uno de los generadores de ruido (22) al proporcionarse el disparador (20); y generar un primer número aleatorio basándose en el valor de la señal muestreada, caracterizado porque la identidad del generador de ruido (22) que se va a muestrear se determina basándose en un número aleatorio previo generado.

2. 2.

   El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque la entrada del mundo exterior es la detección de radiación.

3. 3.

   El procedimiento de la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa de proporcionar un disparador (20) basándose en la detección de radiación se realiza con un contador Geiger Mueller (20).

4. 4.

   El procedimiento de la reivindicación 3, caracterizado porque una salida analógica del contador Geiger Mueller

   (20) se convierte a un número binario a través del muestreo digital.

5. 5.

   El procedimiento de la reivindicación 3, caracterizado porque los contadores Geiger Mueller (20) están expuestos a Cs-137.

6. 6.

   El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque los generadores de ruido (22) comprenden generadores de ruido (22) de semiconductor.

7. 7.

   El procedimiento de la reivindicación 6, caracterizado porque los generadores de ruido (22) de semiconductor comprenden diodos zener.

8. 8.

   El procedimiento de la reivindicación 7, caracterizado porque los diodos zener (22) tienen una ganancia de aproximadamente 2000x.

9. 9.

   El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque la entrada del mundo exterior es la detección de un evento de radio frecuencia.

10. 10.

    El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque la entrada del mundo exterior es la detección de una característica de un sistema climatológico.

11. 11.

    El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque el disparador (20) lo determinada un único detector (20) de la entrada del mundo exterior.

12. 12.

    El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque el disparador (20) lo determinada una pluralidad de detectores (20) de la entrada del mundo exterior.

13. 13.

    El procedimiento de la reivindicación 12, caracterizado porque comprende además la etapa de, cuando uno de los disparadores (20) detecta un evento de disparo, anular la otra pluralidad de disparadores (20).

14. 14.

    El procedimiento de la reivindicación 13, caracterizado porque comprende además la etapa de, cuando uno de los disparadores (20) detecta un evento de disparo, muestrear un valor de un temporizador (24).

15. 15.

    El procedimiento de la reivindicación 14, caracterizado porque una parte de un valor de muestra del generador de ruido (22) se usa como el siguiente estado inicial del temporizador (24).

16. 16.

    El procedimiento de la reivindicación 15, caracterizado porque los ocho bits más bajos del valor de muestra del generador de ruido (22) se usan como el siguiente estado inicial del temporizador (24).

17. 17.

    El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además las etapas de:

    proporcionar una segunda pluralidad de generadores de ruido (22); proporcionar un segundo disparador (20) basándose en una entrada del mundo exterior; muestrear la señal de salida de uno de la segunda pluralidad de generadores de ruido (22) al proporcionarse el segundo disparador (20); generar un segundo número aleatorio basándose en el valor de la señal muestreada; y seleccionar un número aleatorio de salida a partir de los números aleatorios primero y segundo.

18. 18.

    El procedimiento de la reivindicación 17, caracterizado porque la segunda pluralidad de generadores de ruido

    (22) comprenden diodos zener.
19. 19. El procedimiento de la reivindicación 17, caracterizado porque el segundo disparador (20) comprende un detector Geiger Mueller (20).

    cfb