KR20070018986A - 난수 생성 장치, 생성 방법, 생성기 평가 방법 및 난수사용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 IC 카드에 탑재된 경우와 같이 외부의 영향을 받기 쉬운 환경에서도 난수성이 확보된 난수를 생성하는 것을 목적으로 한다. 난수를 생성하는 난수 생성 수단과, 난수 생성 수단에 난수 생성용 파라미터를 부여하는 난수 생성 제어 수단과, 생성된 난수의 난수성을 판정하는 난수성 판정 수단을 포함하고, 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하지 않는 경우, 난수 생성 제어 수단은 난수 생성용 파라미터를 갱신하여 난수 생성 수단으로 하여금 난수를 재생성하게 한다.

Description

난수 생성 장치, 생성 방법, 생성기 평가 방법 및 난수 사용 방법{RANDOM NUMBER GENERATION DEVICE, GENERATION METHOD, GENERATOR EVALUATION METHOD, AND RANDOM NUMBER USE METHOD}

본 발명은 난수의 생성 방식에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 예컨대 비접촉으로 전원을 공급받는 비접촉 IC 카드에 탑재되며, 외부로부터의 영향을 받기 쉬운 난수 생성 장치 및 난수 생성 방법 등에 관한 것이다.

본 발명이 대상으로 하는 IC 카드에 있어서의 데이터 처리 장치에서는 난수를 사용하는 경우가 많다. IC 카드는 주민 기본 대장이나 신용 카드 등으로 대표되는 개인의 인증을 위해 사용되는 경우가 많고, 인증 기능에서는 주로 공개키 암호가 사용되고 있으며, 난수가 키의 생성 등에 사용된다. 종래에는 예컨대 소프트웨어를 사용한 의사 난수가 이용되고 있지만, 이 경우에는 난수의 근원이 되는 시드(seed)의 취득 방법에 따라서는 생성하는 난수에 편차가 발생하거나, 한번 생성된 의사 난수로부터 다음 난수를 생성하는 경우에 값을 예측할 수 있게 된다고 하는 위험성이 지적되고 있다. 그러한 문제점을 막기 위해서 시드의 취득 방법을 연구하여 값을 쉽게 예측할 수 없게 하는 방법이나 열 잡음 등의 물리 현상을 이용한 난수 생성기를 탑재하는 것 등이 검토되고 있다.

종래의 난수 생성기에 의해 생성된 난수의 난수성 평가를 행하는 경우에는, 난수 생성기 단일체의 상태, 즉 난수 매크로에만 전원과 신호를 부여함으로써 생성된 난수의 난수성이 평가되어 있었다. 그러나, 난수 생성기의 동작은 전원 전압 등의 동작 조건이나 샘플링 간격 등에 영향을 받고, 발생하는 난수에 편차가 발생하는 경우가 있다. 특히, 비접촉 IC 카드에서는, 전자파에 의해 안테나로부터 공급되는 전원을 사용하기 때문에, 비교적 불안정한 전원 조건으로 동작하게 되고, 또한 IC 카드와 카드 리더 라이터와의 위치 관계에도 영향을 받을 가능성이 있다.

그 결과, 단일체에 의한 평가에서 발생하는 난수의 난수성이 확인된 난수 생성기를 사용하더라도, 전자파에 의해 안테나로부터 공급되는 전원을 사용하고, 전원이 불안정한 비접촉 IC 카드에 탑재된 상태 등에 있어서는 반드시 난수성이 확보되어 있다고는 판단할 수 없는 경우가 있다고 하는 문제점이 있었다.

이러한 IC 카드 등에 있어서의 난수의 사용에 대해서 다음과 같은 종래 기술이 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 평성 제3-294987호 공보 「IC 카드 시스템」

특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 제2002-268874호 공보 「난수 시드 생성 회로 와 이것을 구비한 드라이버 및 SD 메모리 카드 시스템」

특허 문헌 3 : 일본 특허 공개 제2002-32732호 공보 「휴대용 정보 처리 장치에 있어서의 의사 난수 취득 방법」

특허 문헌 1에는 대용량의 비휘발성 메모리에 복수개의 난수를 저장하는 구성의 IC 카드를 이용하여 보안 기능 및 메모리 기능을 활용한 새로운 서비스를 제 공할 수 있는 시스템이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는 카운터의 카운트값(난수 시드)을 래치하는 래치에 대한 수신 신호를 출력하는 파워 온 리셋 회로의 수신 신호의 출력 시점이 각기 달라지기 때문에, 난수 시드를 전원이 투입될 때마다 다른 것으로 할 수 있는 난수 시드 생성 회로가 개시되어 있다.

특허 문헌 3에는 미리 발생시킨 다수의 난수를 예컨대 비휘발성 메모리에 기억시켜 두고, 난수를 필요로 할 때에 메모리를 참조함으로써 난수를 취득할 때까지의 대기 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 난수 취득 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래 기술에 있어서도, 난수 생성기가 비접촉 IC 카드에 탑재된 경우 등에 있어서, 외부로부터의 영향에 의해 생성된 난수의 난수성이 충분히 확보될 가능성이 없다고 하는 문제점을 해결할 수는 없다.

본 발명의 제1 목적은 비접촉 IC 카드에 탑재된 경우 등과 같이, 외부의 영향을 받기 쉬운 환경에서도 난수성이 확보된 난수를 생성하는 난수 생성 장치 및 생성 방법을 제공하는 것이다.

제2 목적은 IC 카드에 탑재되는 경우 등과 같이, 비교적 짧은 비트 길이의 난수를 생성하는 난수 생성기의 평가 방법 및 그러한 난수 생성기에 의해 생성된 난수의 효과적인 사용 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 난수 생성 장치는 난수를 생성하는 난수 생성 수단과, 난수 생성 수단에 난수를 생성하기 위한 파라미터를 부여하는 난수 생성 제어 수단과, 생성된 난수의 난수성을 판정하는 난수성 판정 수단을 포함하는 것으로서, 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하지 않는 경우, 난수 생성 제어 수단은 전술한 파라미터를 갱신하여 난수 생성 수단으로 하여금 난수를 재생성하게 하도록 동작한다.

본 발명의 난수 생성 방법에서는, 난수 생성을 위한 파라미터를 메모리로부터 판독하고, 그 파라미터를 이용하여 난수를 생성하며, 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하는지 여부를 판정하고, 조건을 만족하지 않을 때 난수 생성을 위한 파라미터를 갱신하며, 갱신된 파라미터를 이용하여 난수를 생성하고, 생성된 난수의 난수성 판정 이후를 반복하는 방법이 이용된다.

이것에 의해 난수성이 확보된 난수의 생성이 가능해지고, 그러한 난수를 이용한 데이터 처리가 가능해진다.

다음에 본 발명의 난수 생성기 평가 방법은 20000 비트보다 작은 비트수의 난수를 생성하는 난수 생성기를 평가하는 방법으로서, 난수 생성기에 의한 난수 생성과, 생성된 난수 메모리로의 저장을 반복하고, 이 메모리에 저장된 난수의 합계 비트수가 20000 비트를 넘었을 때, 이 20000 비트 이상의 샘플을 대상으로 하여 난수성을 판정하며, 이 난수성 판정 결과에 따라 난수 생성기를 평가하는 방법이 이용된다. 이것에 의해, 예컨대 FIPS140에 규정되어 있는 통계적 판정 방법을 이용한 난수 생성기의 평가가 가능해진다.

다음에 본 발명의 난수 사용 방법은 바이트 길이 단위로 사용되는 난수의 사용 방법으로서, 생성한 난수를 바이트 단위로 데이터 기록 및 판독 가능한 비휘발성 메모리에 저장하고, 난수를 연산에 사용할 때, 필요한 바이트 길이 단위의 미사용 난수를 이 비휘발성 메모리로부터 판독하여 사용하는 방법이 이용된다. 이것에 의해 하드웨어적으로 동일한 난수가 사용되는 것이 제한되어, 난수가 예측되는 위험성을 경감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 난수 생성 장치의 원리 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 있어서의 IC 카드의 기본적인 구성 블록도.

도 3은 IC 카드의 제1 실시예의 구성을 도시한 블록도.

도 4는 IC 카드의 제2 실시예의 구성을 도시한 블록도.

도 5는 IC 카드의 제3 실시예의 구성을 도시한 블록도.

도 6은 IC 카드의 제4 실시예의 구성을 도시한 블록도.

도 7은 난수 생성 제어부에 의한 난수 생성기의 설정을 설명한 도면.

도 8은 보정 테이블 파라미터의 의미를 설명한 도면.

도 9는 보정 테이블 파라미터 저장부의 저장 내용의 예를 도시한 도면.

도 10은 보정 테이블 파라미터의 포맷을 설명한 도면.

도 11은 난수성 판정부에 의한 난수성 판정 동작의 설명도.

도 12는 난수 생성 처리의 전체 흐름도.

도 13은 난수 생성기 자체의 평가 방식을 설명한 도면.

도 1은 본 발명의 난수 생성 장치의 원리적인 구성 블록도이다. 도 1에 있어 서 난수 생성 장치(1)는 적어도 난수 생성부(2), 난수 생성 제어부(3) 및 난수성 판정부(4)를 포함한다.

난수 생성부(2)는 난수를 생성하는 것으로서, 난수 생성 제어부(3)는 난수 생성부(2)에 대하여 난수를 생성하기 위한 파라미터를 부여하는 것이고, 난수성 판정부(4)는 생성된 난수의 난수성을 판정하는 것이다. 그리고, 난수 생성부(2)에 의해 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하지 않으면 난수성 판정부(4)에 의해 판정되었을 때, 난수 생성 제어부(3)는 전술한 파라미터를 갱신하여 난수 생성부(2)로 하여금 난수를 재생성하게 한다.

본 발명에 있어서는, 난수 생성 장치(1)의 기동시에 난수 생성을 위해 사용되어야 할 전술한 파라미터로서의 디폴트 파라미터를 기억하는 파라미터 기억부를 더 포함하고, 난수 생성 제어부(3)가 난수 생성 장치(1)의 기동시에 그 디폴트 파라미터를 난수 생성부(2)에 부여할 수도 있다.

또한, 이 파라미터 기억부는 전술한 파라미터로서 전술한 디폴트 파라미터를 이용하여 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하지 않을 때에, 난수 생성 제어부(3)가 전술한 파라미터 갱신에 있어서 이용해야 할 갱신용 파라미터를 더 기억할 수도 있고, 또한, 파라미터 기억부는 생성된 난수가 0과 1 중 어느 하나로 치우칠 가능성이 있는지를 나타내는 난수성 정보에 대응시켜 전술한 갱신용 파라미터를 복수개 기억하는 동시에, 난수성 판정부(4)가 판정 결과로서 생성된 난수가 0과 1 중 어느 하나로 치우쳐 있는지를 나타내는 판정 정보를 난수 생성 제어부(3)에 부여하고, 난수 생성 제어부(3)가 부여된 판정 정보에 대응하여 파라미터 기억부에 기억되어 있는 갱신용 파라미터를 선택할 수도 있다.

또한, 난수 생성부(2)에 의해 재생성된 난수의 난수성이 전술한 조건을 만족할 때에는 난수 생성 제어부(3)가 파라미터 기억부에 저장되어 있는 디폴트 파라미터를 이 난수의 재생성에 이용된 파라미터에 재기록할 수도 있다.

또한, 본 발명에 있어서는 난수 생성 장치(1)는 비접촉으로 외부로부터 전원을 공급받는 IC 카드에 탑재될 수도 있다.

다음에, 본 발명의 난수 생성 방법에 있어서는 난수 생성을 위한 파라미터를 메모리로부터 판독하고, 그 파라미터를 이용하여 난수를 생성하며, 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하고 있는지 여부를 판정하고, 그 조건을 만족하지 않을 때에는 난수 생성을 위한 파라미터로서 갱신용 파라미터를 판독하며, 그 갱신용 파라미터를 이용하여 난수를 생성하고, 생성된 난수의 난수성 판정 이후를 반복하는 방법이 이용된다.

또한, 본 발명에 있어서 난수를 생성하기 위한 계산기에 의해 사용되는 프로그램으로서, 난수 생성을 위한 파라미터를 메모리로부터 판독하는 순서와, 이 파라미터를 이용하여 난수를 생성하는 순서와, 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하는지 여부를 판정하는 순서와, 이 조건을 만족하지 않을 때, 난수 생성을 위한 파라미터로서 갱신용 파라미터를 판독하는 순서와, 이 갱신용 파라미터를 이용하여 난수를 생성하고, 이 생성된 난수의 난수성 판정 이후를 반복하는 순서를 계산기에 실행시키는 프로그램이 이용된다.

다음에, 본 발명의 난수 생성기 평가 방법은 20000 비트보다 작은 비트수의 난수를 생성하는 난수 생성기의 평가 방법으로서, 난수 생성기에 의한 난수의 생성과, 생성된 난수의 메모리로의 저장을 반복하고, 메모리에 저장된 난수의 합계 비트수가 20000 비트를 넘었을 때, 20000 비트 이상의 샘플을 대상으로 하여 난수성을 판정하며, 그 판정 결과에 따라 난수 생성기를 평가하는 것이다.

또한, 본 발명의 난수의 사용 방법은 바이트 길이 단위로 사용되는 난수의 사용 방법으로서, 생성된 난수를 바이트 단위에 의한 데이터 기록 및 판독이 가능한 비휘발성 메모리에 저장하고, 난수를 연산에 사용할 때, 필요한 바이트 길이 단위의 미사용 난수를 이 비휘발성 메모리로부터 판독하여 사용하는 방법이 이용된다.

도 2는 본 발명에 있어서의 IC 카드의 기본적인 구성 블록도이다. 도 2에 있어서 IC 카드(10)는 IC 카드(10) 내에서의 난수 생성을 제어하는 난수 생성 제어부(11), 난수를 생성하는 난수 생성기(12), 생성된 난수의 난수성을 판정하는 난수성 판정부(13), 생성된 난수를 이용하여 필요한 연산을 행하는 연산부(14), 난수 생성에 이용되는 파라미터 등을 저장하는 비휘발성 메모리(15) 및 외부 기기와 통신하고, 전력을 공급받기 위해서 통신·전원 제어부(16)를 포함하고 있다.

도 2에 있어서 난수 생성 제어부(11)는 디폴트 보정 테이블 파라미터 설정부(20), 보정 테이블 파라미터 갱신부(21) 및 난수 생성기 제어 회로(22)를 포함하고 있다. 또한, 비휘발성 메모리(강유전체 RAM)(15)는 디폴트 보정 테이블 파라미터 저장부(23), 보정 테이블 파라미터 저장부(24) 및 난수 데이터 저장부(25)를 포함하고 있다.

여기서, 본 발명의 청구 범위 제1항에 있어서의 난수 생성 수단은 난수 생성기 제어 회로(22) 및 난수 생성기(12)에 해당하고, 난수 생성 제어 수단은 디폴트 보정 테이블 파라미터 설정부(20) 및 보정 테이블 파라미터 갱신부(21)에 해당하며, 또한, 청구 범위 제2항 등에 있어서의 파라미터 기억 수단은 디폴트 보정 테이블 파라미터 저장부(23) 및 보정 테이블 파라미터 저장부(24)에 해당한다.

IC 카드(10)의 기동시에는 난수 생성기(12)에 의한 난수 생성은 디폴트 보정 테이블 파라미터를 난수 생성용 파라미터로 하여 실행된다. 즉, 디폴트 보정 테이블 파라미터 저장부(23)로부터 판독된 디폴트 파라미터가 디폴트 보정 테이블 파라미터 설정부(20)에 의해 난수 생성기 제어 회로(22)에 대하여 설정되고, 난수 생성기 제어 회로(22)에 의해 난수 생성기(12)의 동작이 제어된다. 생성된 난수에 대해서는 난수성 판정부(13)에 의해 그 난수성을 나타내는 데이터, 예컨대 0 또는 1의 난수 내에서의 출현 횟수가 미리 정해진 조건을 만족하고 있는지 여부가 판정되며, 만족하고 있을 때에는 종료 플래그가 난수 생성 제어부(11)와 연산부(14)에 통지되고, 생성된 난수는 난수 데이터 저장부(25)에 저장되며, 그대로 연산부(14)에 의해 연산에 사용된다.

조건을 만족하지 않을 때에는 예컨대 에러 플래그에 의해 그 난수를 사용할 수 없는 것이 연산부(14)와 난수 생성 제어부(11)에 통지된다. 난수 생성 제어부(11) 내의 보정 테이블 파라미터 갱신부(21)는 비휘발성 메모리(15) 내의 보정 테이블 파라미터 저장부(24)에 저장되어 있는 보정 테이블 파라미터를 디폴트 보정 테이블 파라미터 대신에 난수 생성기 제어 회로(22)에 설정하고, 그 결과에 대응하 여 난수 생성기(12)에 의해 다시 난수가 생성되며, 재생성된 난수를 대상으로 하여 난수성 판정부(13)에 의해 난수성이 정해진 조건을 만족하고 있는지 여부가 판정되고, 만족하고 있는 경우에는 그 난수는 난수 데이터 저장부(25)에 저장되는 동시에, 연산부(14)에 의해 그 난수를 사용한 연산이 실행된다. 그리고, 난수의 재생성에 사용된 보정 테이블 파라미터의 값이 비휘발성 메모리(15)의 디폴트 보정 테이블 파라미터 저장부(23)에 덮어쓰기되어 디폴트 보정 테이블 파라미터의 갱신이 행해진다.

재생성된 난수도 미리 정해진 조건을 만족하지 않는 경우에는, 전술한 바와 같이 파라미터의 갱신이 행해지고, 난수의 재생성 이후의 동작이 실행된다. 이와 같이 난수가 재생성되는 경우에는, 디폴트 보정 테이블 파라미터 저장부(23)의 저장 내용은 그 난수성이 조건을 만족하는 난수가 생성된 시점에서 덮어쓰기되어 갱신되고, IC 카드(10)의 재기동 후에는 그 갱신된 디폴트 보정 테이블 파라미터가 재기동 직후의 난수 생성에 사용되게 된다. 또한, 보정 테이블 파라미터를 비휘발성 메모리에 저장함으로써, 외부로부터의 보정 테이블 파라미터의 추가·갱신이 용이하게 가능해진다.

도 3은 IC 카드의 제1 실시예의 구성 블록도이다. 도 3을 도 2의 기본 구성도와 비교하면 통신·전원 제어부(16) 대신에 비접촉 통신부(27)가 포함되어 있는 점과, 난수 생성기(12)가 열 잡음 발생 소자(29), 증폭기(30) 및 샘플링 회로(31)에 의해 구성되고, 난수성 판정부(13)가 카운터(33), 비교 판정 회로(34) 및 난수 저장 버퍼(35)에 의해 구성되어 있는 점이 다르다.

비접촉 통신부(27)는 비접촉 IC 카드 리더/라이터 사이에서 통신을 행하는 동시에 리더/라이터로부터의 전자파를 수신하여 IC 카드용 직류 전원을 생성하고, IC 카드(10)를 기동하는 동시에 각 부분을 리셋하기 위한 파워 온 리셋 신호를 생성하는 것이다. 비접촉으로 전력을 공급받기 때문에, 전원 조건이 반드시 안정된 것은 아니며, 생성되는 난수의 난수성이 문제가 될 가능성이 그 만큼 크다고 할 수 있다.

난수 생성기(12)를 구성하는 열 잡음 발생 소자(29), 증폭기(30) 및 샘플링 회로(31)는 난수 생성 제어부(11) 내의 난수 생성기 제어 회로(22)에 의해 제어되어 난수를 발생하는 것이지만, 그 동작에 대해서는 추가로 후술한다.

또한, 난수성 판정부(13) 내의 카운터(33)는 생성된 난수의 난수성을 판정하기 위해서 생성된 난수 내의 0 또는 1의 출현 횟수를 카운트하는 것이고, 비교 판정 회로(34)는 그 출현 횟수가 미리 정해진 조건을 만족하고 있는지 여부를 판정하는 것이며, 난수 저장 버퍼(35)는 생성된 난수를 일시적으로 저장하는 것이지만, 이들 동작에 대해서도 추가로 후술한다.

도 4는 IC 카드의 제2 실시예의 구성 블록도이다. 도 4에 있어서, 제1 실시예를 도시한 도 3의 비접촉 통신부(27) 대신에 접촉 통신·전원 제어부(37)가 포함되어 있는 점이 제1 실시예와 다르다. 이 접촉 통신·전원 제어부(37)는 접촉형 IC 카드 리더/라이터 사이에서 통신하는 동시에, 리더/라이터측으로부터 접촉 상태에서 전원과 클록을 공급받고, 외부로부터의 리셋 신호를 받음으로써 IC 카드의 동작이 시작된다. 따라서, 전원 조건은 도 3에서 설명한 비접촉 통신부(27)를 이용하는 제1 실시예보다 안정되어 있고, 난수 생성에 이용되는 파라미터, 즉 보정 테이블 파라미터의 값도 제1 실시예와 달라질 가능성이 있다. 예컨대 IC 카드 리더/라이터와의 사이에서 접촉 통신과 비접촉 통신 모두를 행할 수 있는 콤비 카드의 경우 등은 접촉/비접촉의 조건에 따라 보정 테이블 파라미터의 값을 설정할 수도 있다.

도 5는 IC 카드의 제3 실시예의 구성 블록도이다. 도 5에 있어서 통신·전원 제어부(16)는 도 2의 기본 회로와 동일하며, 도 3의 비접촉 통신부(27) 또는 도 4의 접촉 통신·전원 제어부(37) 중 어느 하나를 이용하여도 좋다. 이 제3 실시예에 있어서는, 제1, 제2 실시예와는 달리 비휘발성 메모리(15)의 내부에 설치된 보정 테이블 파라미터 저장부(24)가 판독 전용 메모리(ROM)(37) 내부의 보정 테이블 파라미터 저장부(38)로서 실현되고 있고, 비휘발성 메모리(15)보다 집적도가 큰 ROM에 대부분의 보정 테이블 파라미터를 저장하여, 비휘발성 메모리(15)의 사용 용량을 삭감하는 것이 가능해진다.

도 6은 IC 카드의 제4 실시예의 구성 블록도이다. 도 6을 예컨대 제1 실시예를 도시한 도 3과 비교하면, 난수 생성기 제어 회로(22)가 난수 생성기의 전원을 제어하기 위한 전원 제어용 카운터(45), 난수 생성기에 의한 난수의 출력을 제어하기 위한 출력 제어용 카운터(46), 난수 생성기내의 샘플링 회로(31)에 의한 샘플링 주파수를 설정하기 위한 샘플링 주파수 설정 레지스터(47) 및 난수를 재생성할 때에 재생성 플래그가 저장되는 재생성 플래그 저장부(48)를 구비하고 있고, 또한 난수 생성기(12)의 내부에 전원 제어 회로(41)를 구비하고 있는 점이 다르다.

도 7은 예컨대 도 6의 제4 실시예에 있어서의 난수 생성 제어부(11)에 의한 난수 생성기(12)의 제어 방식의 설명도이다. 도 7에 있어서의 제어 동작을 도 8 내지 도 10에 도시되는 보정 테이블 파라미터를 이용하여 설명한다.

난수 생성 제어부(11)에 대해서는 예컨대 도 6의 통신·전원 제어부(16)로부터 파워 온 리셋(PONRST) 신호와, 클록(CLK) 신호가 부여되고, 예컨대 16 비트의 전원 제어용 카운터(45)는 컨트롤 레지스터(49)에 대하여 입력된 보정 테이블 파라미터로서의 t₀의 카운트를 시작한다.

도 8은 이 난수 생성을 위한 보정 테이블 파라미터의 설명도이다. 도 8에 있어서 IC 카드의 전원 Vc가 투입되고 나서 t₀ 시간 후, 난수 생성기(12)의 전원 Vr을 투입하는 것으로 하고, 또한 그 전원이 투입되고 나서, 시간 t₁ 경과 후에 난수 생성기의 출력이 안정되고 나서 난수 생성을 행하기 위한 샘플링을 시작하며, 그 샘플링 종료 후에 난수 생성기(12)의 전원 Vr을 오프하는 것으로 하고, 난수 생성을 위한 샘플링 주파수를 f로 하여 난수를 생성하는 것으로 한다.

도 9는 예컨대 도 2의 보정 테이블 파라미터 저장부(24)에 저장되어 있는 보정 테이블 파라미터의 저장 형식을 나타낸다. 도 8에 대응하여 시간 t₀, t₁ 및 샘플링 주파수 f의 세트가 일반적으로 복수 세트 저장되어 있다.

도 10은 도 9에 있어서의 예컨대 1행 분의 보정 테이블 파라미터의 데이터 포맷의 예이다. 도 8에 있어서의 시간 t₀과 t₁의 값을 예컨대 10 ms로 설정하는 것으로 하고, 클록 주파수를 3.57 MHz로 하면, t₀과 t₁에 대응하는 카운트 횟수는 35,700회가 되며, t₀과 t₁의 저장 영역으로서 16 비트씩 필요하다. 또한, 샘플링 주파수로서는, 예컨대 50 kHz, 100 kHz, 250 kHz 등 몇 개의 주파수를 설정해두고, 그 중에서 선택하여 보정 테이블 파라미터로서 조합하는 것으로 하면, 예컨대 주파수 f의 저장 영역으로서 4 비트를 준비함으로써, 16단계의 샘플링 주파수의 설정이 가능해진다. 도 10에 있어서의 보정 테이블 파라미터의 저장 영역의 전체 길이를 64 비트로 하면, 리저브로서 28 비트가 남겨진다.

또한, 도 8에 있어서 시간 t₀ 및 t₁이 충분히 크지 않고, 또한, 샘플링 주파수 f가 큰 경우 등은 생성되는 난수가 0 또는 1로 치우치기 쉽게 된다. 이러한 난수 생성기의 특성을 사전에 평가하고, 도 9에 저장되어 있는 보정 테이블 파라미터의 세트에 대응하여 난수 생성기의 특성, 즉 0과 1 중 어느 쪽의 발생율이 많아질지의 특성(난수성의 판정 정보)을 사전에 조사하여 보정 테이블 파라미터에 대응하여 그 판정 결과를 저장해 두는 것이 유효하다. 이것에 의해 생성된 난수의 난수성 판정 결과에 따라 난수성을 개선하기 위한 보정 테이블 파라미터의 선택이 가능해진다. 즉, 생성된 난수가 0으로 치우쳐 있었던 경우에는, 1의 발생율이 많아지는 보정 테이블 파라미터를 선택하여 난수를 재생성하게 된다.

도 7에 있어서 보정 테이블 파라미터, 즉 t₀, t₁ 및 f의 값은 컨트롤 레지스터(49)를 통해 각각 전원 제어용 카운터(45), 출력 제어용 카운터(46), 샘플링 주파수 설정 레지스터(47)에 부여된다.

난수 생성기(12)측에서는 파워 온 리셋 후에 카운터(45)의 카운트값이 t₀에 해당하는 카운트값에 도달한 시점에서 난수 생성기(12)의 전원이 온이 되고, 열잡음 발생 소자(29)의 출력이 증폭기(30)에 의해 증폭되어, 샘플링 회로(31)에 부여된다. 그 후, 카운터(46)가 시간 t₁에 해당하는 횟수만큼 카운트를 행한 시점에서 샘플링 회로(31)가 증폭기(30)의 출력의 샘플링을 시작하고, 샘플링 주파수 설정 레지스터(47)에 의해 설정된 주파수를 이용하여 샘플링을 행하며, 출력 SOUT를 난수성 판정부(13)에 출력한다.

도 11은 난수성 판정부(13)의 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 난수성 판정부(13)는 난수 생성기(12)로부터 출력된 난수가 저장되는 난수 저장 버퍼(35), 난수 생성기(12)의 출력중 0 또는 1 중 어느 쪽의 생성 횟수를 카운트하는 카운터(33), 카운터(33)의 출력과 난수 생성 제어부(11)로부터 부여되는 난수성 판정을 위한 비교값이 설정된 레지스터(51)의 내용을 비교하여 난수성 판정을 행하기 위한 비교 판정 회로(34)를 구비한다. 비교 판정 회로(34)에 의한 판정 결과는 난수 생성 제어부(11)에 대하여 피드백되며, 난수 생성기(12)로부터 출력된 난수가 사용 가능한지의 여부가 통지된다.

도 11에서 난수 생성기(12)에 의해 생성된 난수의 난수성 판정 방법에 대해서 설명한다. 이 난수성 판정 규격의 하나로서 미국 국립표준기술연구소에 의한 규격 FIPS(Federal Information Processing Standards)140가 있다. 이 규격에 있어서의 난수성 판정을 위한 테스트로서 모노비트(monobit) 테스트, 포커(poker) 테스트, 런(runs) 테스트, 롱런(long runs) 테스트 등 몇 개의 테스트 방법이 규정되어 있다.

본 실시 형태에서는, 그러한 테스트의 하나로서의 모노비트 테스트를 기준 사고 방식으로 하여 생성된 난수의 난수성을 판정하는 것으로 한다. 이 모노비트 테스트에서는, 20000 비트의 샘플 스트림 중 하나의 수를 카운트하고, 그 수 X가 다음 식을 만족할 때 테스트에 합격하는 것으로 되어 있다.

9654 < X < 10346

그러나, 본 실시 형태와 같이 IC 카드에 탑재된 난수 생성기에서는, 생성되는 난수의 길이는 겨우 1024 비트 정도이며, 이 1024 비트를 모노비트 테스트의 20000 비트에 대응시켜 1024 비트 중의 1 또는 0 중 어느 하나의 발생수 X가 다음 식을 만족할 때에 테스트에 합격한 것으로 판정한다.

495 < X < 529

그래서 도 11에 있어서, 난수 생성기(12)에 의해 생성된 난수를 대상으로 하여 1 또는 0의 수를 카운터(33)로 카운트했을 때에, 그 카운트값이 비교값 설정 레지스터(51)로 설정되어 있는 495 내지 529 사이에 들어 있는 것이 비교 판정 회로(34)에 의해 판정된 경우, 생성된 난수가 사용 가능한 것으로 판정된다.

도 12는 이상에서 설명한 본 실시 형태에 있어서의 난수 생성 처리의 전체 흐름도이다. 도 12에 있어서 처리가 시작되면, 우선 단계 S1에서 비휘발성 메모리(15) 내의 디폴트 보정 테이블 파라미터 저장부(23)로부터 파라미터의 초기 설정값으로서 t₀, t₁ 및 f의 값이 판독되고, 단계 S2에서 t₀의 설정값을 이용하여 난수 생성기(12)에 대한 전원 제어 신호가 도 7의 전원 제어용 카운터(45)를 통해 생성되며, 단계 S3에서 t₁의 설정값을 이용하여 출력 제어용 카운터(46)를 통해 샘플링 회로(31)에 대한 출력 제어 신호가 생성되고, 또한 f의 설정값을 이용하여 샘플링 주파수 설정 레지스터(47)를 통해 샘플링 주파수 제어 신호가 생성되어, 샘플링 회로(31)에 부여된다.

그 결과로서 단계 S4에서 난수 생성기(12)로부터 난수가 출력되고, 단계 S5에서 난수성 판정부(13)에 의해 전술한 바와 같은 방법에 의해 난수성이 판정되며, 그 판정 결과가 난수 생성 제어부(11)에 통지되지만, 난수성 판정 결과가 OK인 경우에는 단계 S6에서 난수를 재생성하고 있지 않은지, 즉 예컨대 디폴트의 파라미터를 사용한 난수 생성시에 난수성이 부적절하다고 판정되고, 다른 파라미터를 이용하여 난수를 재생성하고 있지 않은지가 판정되며, 행하고 있지 않은 경우에는 단계 S7에서 그 난수가 비휘발성 메모리(15)의 난수 데이터 저장부(25)에 저장되고, 그 후 IC 카드에 있어서의 처리가 계속된다.

단계 S5에서 난수성 판정 결과가 NG인 경우에는, 단계 S8에서 비휘발성 메모리(15) 내의 보정 테이블 파라미터 저장부(24)로부터 새로운 파라미터, 즉 설정값 t₀', t₁', f'가 선택되고, 난수 생성 제어부(11) 내의 보정 테이블 파라미터 갱신부(21)에 의해 난수 생성기 제어 회로(22)에 대하여 그 새로운 설정값이 부여되며, 또한 재생성 플래그 저장부(48)에 재생성 플래그가 세워져 단계 S2 이후의 처리가 행해진다.

또한, 단계 S6에서 난수를 재생성하고 있지 않은지의 판정이 NG, 즉 난수가 재생성되고 있는 경우에는, 단계 S9에서 비휘발성 메모리(15)의 디폴트 보정 테이블 파라미터 저장부(23)에 최신의 보정 테이블 파라미터, 즉 현시점에서 출력된 난수의 생성에 이용된 보정 테이블 파라미터가 덮어쓰기되어 재생성 플래그 저장부(48)의 재생성 플래그가 내려진 후, 단계 S7에서 난수가 저장된다.

다음에, 본 실시 형태에 있어서의 난수 사용 방법으로서 예컨대 도 2의 비휘발성 메모리(15)의 난수 데이터 저장부(25)에 미리 대부분의 난수를 저장해두고, 연산에 사용한 난수는 예컨대 소거하여 그 재사용을 방지하며, 동일한 난수가 사용되는 것을 하드웨어적으로 제어하는 방법을 이용할 수 있다.

비휘발성 메모리(15)로서 바이트 단위에 의한 데이터 저장과 소거가 가능한 강유전체 메모리를 사용하고, 미리 다수의 난수를 생성하여 그 데이터를 메모리에 저장하며, 사용된 난수의 저장부를 액세스 불가로 한다. 모든 난수 데이터가 사용된 후에 난수를 재생성하고 저장함으로써, IC 카드의 처리에 있어서 난수가 예측되는 위험성을 저감할 수 있다.

마지막으로 본 실시 형태에 있어서의 난수 생성기 자체의 평가에 대해서 도 13을 이용하여 설명한다. 이 난수 생성기 자체의 평가에서는, 전술한 바와 같이 IC 카드에 탑재된 난수 생성기가 1024 비트 정도의 난수를 생성하는 것으로서, 이것에 대하여 전술한 바와 같이 FIPS140에 규정된 예컨대 모노비트 테스트에서는 20000 비트의 샘플에 대한 난수성이 판정되기 때문에, 도 13의 IC 카드에 있어서도 1024 비트의 난수 생성을 반복하고, 합계 20000 비트의 난수가 생성된 시점에서 그 20000 비트를 샘플로 하여 난수성을 판정하며, 이것에 의해 난수 생성기 자체를 평가하는 것으로 한다.

즉, 도 13에 있어서, 예컨대 연산부(14)로부터 난수 생성 제어부(11)에 대하여 난수 생성기 자체의 평가 개시 커맨드가 발행됨으로써 처리가 시작되고, 난수 생성 제어부(11)에 의해 디폴트의 보정 테이블 파라미터가 난수 생성기 제어 회로(22)에 설정된 후에 난수 생성기(12)가 기동되며, 생성된 난수는 난수 데이터 저장부(25)에 저장된다. 난수 생성기(12)는 동일한 파라미터를 사용하여 난수 생성을 반복하고, 20000 비트 이상의 난수가 난수 데이터 저장부(25)에 저장된 시점에서 난수성 판정부(13)가 기동되며, 난수성 판정부(13)는 예컨대 FIPS140에 규정되어 있는 모노비트 테스트에 의해 또는 포커 테스트, 런 테스트, 롱런 테스트 중 어느 하나에 의해 난수성을 판정하고, 판정 결과를 연산부(14)에 통지한다. 이러한 난수 생성기 자체의 평가는 난수 생성기(12)의 단일체 매크로와 제어/판정 회로에 대한 평가로서, 기본적으로는 비접촉에 의한 전력 공급 등, 난수 생성기가 외부로부터 영향을 받는 요인을 배제하여 행해지고, 디폴트 보정 테이블 파라미터를 이용한 난수 생성기(12)의 동작 자체의 평가가 행해진다.

이상의 설명에서는, 보정 테이블 파라미터로서, 예컨대 도 8에서 설명한 바와 같이 카드 전원의 상승으로부터 난수 생성기 전원의 상승까지의 시간 t₀, 난수 생성기 전원의 상승으로부터 난수 생성기의 동작이 안정될 때까지의 안정 시간 t₁ 및 난수를 취득하기 위한 샘플링 주파수 f의 3개가 규정되어 있지만, 예컨대 난수 생성기의 전원 전압, 즉 전원 전압 Vr의 값 그 자체를 파라미터로 하여 난수 생성을 행할 수도 있다.

또한, 난수성의 판정에 대해서는 FIPS140의 모노비트 테스트에 준하여 판정을 행하는 것으로 하였지만, 포커 테스트, 런 테스트 또는 롱런 테스트에 준한 판정을 행할 수도 있다.

추가로 도 12에서 설명한 바와 같이, 비휘발성 메모리에 보존되어 있는 디폴트 보정 테이블 파라미터는 파라미터가 갱신되어 생성된 난수에 대한 난수성 판정 결과가 OK일 때에는 그 갱신이 행해지는 것으로 하였다. 이것은 최신의 통신 환경에 대응하는 파라미터를 디폴트 보정 테이블 파라미터로 하여 다음 난수 생성기 기동시에 사용하기 위함이지만, 통신 조건이 빈번히 변화되는 사용 방법 등에 있어서는, 디폴트 보정 테이블 파라미터의 갱신을 행하지 않는 실시 형태도 당연히 생각할 수 있다.

본 발명은 난수 생성기가 탑재된 IC 카드를 이용하는 모든 산업에서 이용하는 것이 가능하며, 또한 반드시 IC 카드뿐만 아니라, 외부로부터의 영향을 받기 쉬운 환경에서 사용되는 난수 생성기를 이용하는 모든 산업에서 이용 가능하다.

Claims (14)

1. 난수를 생성하는 난수 생성 수단과,

   상기 난수 생성 수단에 난수를 생성하기 위한 파라미터를 부여하는 난수 생성 제어 수단과,

   상기 생성된 난수의 난수성을 판정하는 난수성 판정 수단

   을 포함하고,

   생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 난수 생성 제어 수단은 상기 난수 생성을 위한 파라미터를 갱신하여 난수 생성 수단으로 하여금 난수를 재생성하게 하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 난수 생성 장치의 기동시에 난수 생성을 위해 사용되어야 할 상기 파라미터로서의 디폴트 파라미터를 기억하는 파라미터 기억 수단을 더 포함하고,

   상기 난수 생성 제어 수단은 상기 난수 생성기의 기동시에 상기 디폴트 파라미터를 상기 난수 생성 수단에 부여하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 파라미터 기억 수단은 상기 디폴트 파라미터를 이용하여 생성된 난수의 난수성이 상기 미리 정해진 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 난수 생성 제어 수단에 의한 상기 파라미터 갱신에 이용되어야 할 갱신용 파라미터를 더 기억하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 파라미터 기억 수단은 0과 1 중 어느 하나로 난수가 치우칠 가능성이 있는지를 나타내는 난수성 정보에 대응시켜 상기 갱신용 파라미터를 복수개 기억하는 동시에,

   상기 난수성 판정 수단은 생성된 난수가 0과 1 중 어느 하나로 치우쳐 있는지를 나타내는 판정 정보를 상기 난수 생성 제어 수단에 부여하고, 상기 난수 생성 제어 수단이 상기 부여된 판정 정보와 상기 난수성 정보에 대응하여 파라미터 기억 수단에 기억되어 있는 갱신용 파라미터를 선택하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 난수 생성 수단에 의해 재생성된 난수의 난수성이 상기 미리 정해진 조건을 만족하는 경우, 상기 난수 생성 제어 수단은 상기 파라미터 기억 수단에 저장되어 있는 디폴트 파라미터를 상기 난수 재생성에 이용된 파라미터에 재기록하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
6. 제2항에 있어서, 상기 파라미터 기억 수단은 비휘발성 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 난수가 재생성되는 경우, 상기 재생성을 나타내는 플 래그를 저장하는 재생성 플래그 저장 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 난수 생성을 위한 파라미터는 상기 난수 생성 수단에 대한 전원 전압 인가후의 경과 시간 및 난수 생성을 위한 샘플링 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 난수 생성 장치는 비접촉으로 외부로부터 전원을 공급받는 IC 카드에 탑재되는 것을 특징으로 하는 난수 생성 장치.
10. 난수 생성을 위한 파라미터를 메모리로부터 판독하는 단계와,

    상기 파라미터를 이용하여 난수를 생성하는 단계와,

    상기 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하는지 여부를 판정하는 난수성 판정 단계와,

    상기 조건을 만족하지 않는 경우, 난수 생성을 위한 파라미터로서 갱신용 파라미터를 판독하는 단계와,

    상기 갱신용 파라미터를 이용하여 난수를 재생성하고, 상기 재생성된 난수에 대하여 상기 난수성 판정 단계 이후의 단계들을 반복하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수 생성 방법.
11. 난수를 생성하는 컴퓨터에 의해 사용되는 프로그램으로서,

    난수 생성을 위한 파라미터를 메모리로부터 판독하는 순서와,

    상기 파라미터를 이용하여 난수를 생성하는 순서와,

    상기 생성된 난수의 난수성이 미리 정해진 조건을 만족하는지 여부를 판정하는 난수성 판정 순서와,

    상기 조건을 만족하지 않는 경우, 난수 생성을 위한 파라미터로서 갱신용 파라미터를 판독하는 순서와,

    상기 갱신용 파라미터를 이용하여 난수를 재생성하고, 상기 재생성된 난수에 대하여 상기 난수성 판정 순서 이후의 순서들을 반복하는 순서

    를 컴퓨터로 하여금 실행하게 하는 것을 특징으로 하는 프로그램.
12. 20000 비트보다 작은 비트수의 난수를 생성하는 난수 생성기의 평가 방법으로서,

    상기 난수 생성기에 의한 난수의 생성과, 상기 생성된 난수의 메모리로의 저장을 반복하는 단계와,

    상기 메모리에 저장된 난수의 합계 비트수가 20000 비트를 넘는 경우, 상기 20000 비트 이상의 샘플을 대상으로 하여 난수성을 판정하는 난수성 판정 단계와,

    상기 난수성 판정 단계의 결과에 따라 상기 난수 생성기를 평가하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수 생성기 평가 방법.
13. 바이트 길이 단위로 사용되는 난수의 사용 방법으로서,

    생성한 난수를 바이트 단위에 의한 데이터 기록 및 판독 가능한 비휘발성 메모리에 저장하는 단계와,

    난수를 연산에 사용하는 경우, 필요한 바이트 길이 단위의 미사용 난수를 상기 비휘발성 메모리로부터 판독하여 사용하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수 사용 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 강유전체 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수 사용 방법.

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