KR20200143183A - 랜덤 소수 생성 방법 및 그를 위한 장치 - Google Patents

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조만희
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

랜덤 소수 생성 방법 및 그를 위한 장치를 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치는, 생체 신호를 이용하여 시드 코드를 생성하는 시드 코드 생성부; 상기 시드 코드를 기반으로 초기 난수를 생성하고, 상기 시드 코드와 상기 초기 난수를 연산 처리하여 난수를 생성하는 난수 생성부; 및 상기 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 랜덤 소수 생성부를 포함할 수 있다.

Description

랜덤 소수 생성 방법 및 그를 위한 장치{Method and Apparatus for Generating Random Prime}
본 발명은 랜덤으로 소수를 생성하기 위한 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
4 차 산업혁명의 핵심 기술인 IoT(Interesting of Things)는 작은 통신 장비들이 무선 통신을 통해 서로 원하는 데이터를 주고 받는다. IoT 장비 수요가 증가함에 따라 점점 많은 기기들이 서로 통신을 하며, 이런 통신 과정에서 다양한 공격으로 인해 데이터가 유출되는 문제가 발생할 수 있다. 그러므로, 무선 통신을 통해 전송되는 데이터들은 암호화를 통한 데이터 보안이 필수적이다. 기존 PC에서 사용되던 암호화 방식들은 매우 빠른 처리 속도와 큰 비트 수를 가지는 키가 요구되고, 복잡한 알고리즘 방식을 사용함으로 작은 통신 기기에 적용하기 어렵기 때문에, IoT 기기를 위한 전용의 암호화가 필요하다.
RNG(Random Number Generator)는 AES, PBE, DES 등과 같은 대부분의 암호화 응용 프로그램에서 널리 사용되는 중요한 보안 블록입니다. RNG는 독립적으로 작동해야 하며, 예측할 수 없는 난수의 시퀀스를 생성해야 한다.
RNG는 크게 의사 난수 생성기(PRNG)와 순수 난수 생성기(TRNG)로 구분된다.
PRNG는 임의성을 갖는 난수를 생성하기 위하여 수학적 알고리즘을 사용한다. 일반적으로 난수를 생성할 때 소프트웨어 알고리즘이 사용되며, 난수의 시퀀스는 초기 시드 값에 의해 결정된다. 그러므로, 시드 값을 얻거나 많은 양의 데이터를 수집하여 난수 패턴을 예측할 수 있다. 따라서, PRNG는 구현이 쉽다는 장점이 있지만, PRNG 임의 패턴의 취약성으로 인해 높은 보안이 필요한 금융 또는 국방 시스템에 적합하지 않다. PRNG의 전형적인 유형은 선형 피드백 시프트 레지스터(LFSR)이다. LFSR은 레지스터에 입력된 값이 이전 상태 값의 선형 함수로 계산되는 구조를 가진다. LFSR은 선형 함수가 잘 선택되면 2^n-1의 최대 길이 시퀀스를 생성 할 수 있으며 PRNG 특성에 따라 특정 기간을 연속적으로 반복한다. LFSR은 회로에서 구현하기가 매우 쉽고 최대 길이 시퀀스를 생성 할 수 있는 이점이 있지만, 결정론적 시스템의 특성으로 인해 완전한 난수를 생성하는 것은 불가능하다.
TRNG는 하드웨어 온도, 지터, 잡음, 스펙트럼 등과 같이 예측할 수 없는 시드 코드를 기반으로 랜덤 소수를 생성한다. 따라서, TRNG 기반의 난수에 대한 랜덤 패턴을 예측하는 것은 매우 어렵다. TRNG는 난수의 생성 패턴을 예측할 수 없기 때문에 높은 보안이 요구되는 곳에 적합하다. 하지만, TRNG는 난수를 생성하기 위해 별도의 하드웨어가 필요하고, 구현이 쉽지 않으며, 칩 면적이 크기 때문에 소형 모바일 장치에서 사용하기에는 적합하지 않다.
암호화를 위한 일반적인 소수 생성기들은 PRNG(Pseudo Random Number Generator)에서 생성된 난수를 기반으로 제작되었으며, 소수 판별을 위해 인수분해 알고리즘을 사용한다. 인수분해 알고리즘은 소수 판별에 오랜 시간이 소요되는 이유로 기존 소수 생성기는 실시간 소수 생성이 불가능하다는 단점을 가진다.
본 발명은 생체 신호를 기반으로 난수를 생성하고, 생성된 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 랜덤 소수 생성 방법 및 그를 위한 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 랜덤 소수 생성장치는, 생체 신호를 이용하여 시드 코드를 생성하는 시드 코드 생성부; 상기 시드 코드를 기반으로 초기 난수를 생성하고, 상기 시드 코드와 상기 초기 난수를 연산 처리하여 난수를 생성하는 난수 생성부; 및 상기 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 랜덤 소수 생성부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 랜덤 소수 생성방법은, 생체 신호를 이용하여 시드 코드를 생성하는 시드 코드 생성 단계; 상기 시드 코드를 기반으로 초기 난수를 생성하고, 상기 시드 코드와 상기 초기 난수를 연산 처리하여 난수를 생성하는 난수 생성 단계; 및 상기 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 랜덤 소수 생성 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 TRNG(True Random Number Generator)를 사용하여 예측할 수 없는 난수를 기반으로 소수를 생성하고, 16bit 내의 소수만을 생성함으로써, 파라미터 값을 저장시켜 난수와 비교하는 방법을 통해 실시간 소수 판별이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실시간성 소수 생성을 통해 통신 기기들이 데이터를 암호화하기 위한 소수 제공을 원활하게 할 수 있고, 실시간 RSA(Rivest, Sharmir, Adleman) 암호화가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 작은 하드웨어 면적을 차지함에 따라 IoT와 같은 작은 기기들에 적용이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 RSA 암호화 방식을 IoT와 같은 작은 통신 기기에서 사용할 수 있도록 하여 반복되는 패턴을 가지지 않은 소수를 생성함으로 보안성이 향상된다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에 포함된 난수 생성부를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에 포함된 랜덤 소수 생성부를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체 신호를 기반으로 시드 코드를 생성하는 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 생체 신호를 디지털 신호로 변화시키는 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 시드 코드를 생성하는 방법을 나타낸 예시도이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에서 난수를 생성하기 위한 회로도를 나타낸 도면이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에서 랜덤 소수를 생성하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10는 일반적인 난수 생성 결과와 본 발명의 실시예에 따른 난수 생성 결과를 비교한 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 난수 패턴 생성부에서 초기 난수를 생성하는 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명에서 제안하는 랜덤 소수 생성 방법 및 그를 위한 장치에 대해 자세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 실시예에 따른 랜덤 소수 생성 시스템(100)은 웨어러블 기기(110) 및 랜덤 소수 생성장치(120)를 포함한다.
웨어러블 기기(110)는 사용자의 신체와 접촉하여 착용 가능한 기기로써, 사용자의 생체 신호를 측정하기 위한 생체 신호 측정부(112)를 포함할 수 있다. 여기서, 웨어러블 기기(110)는 안경, 손목 시계, 밴드형 기기, 헤드셋 등 중 하나의 웨어러블 디바이스일 수 있다.
사람들은 각각 자신만의 고유한 생체 신호를 포함하고 있다. 예를 들면 사람들은 심장 박동으로 인해 동맥으로 전달되는 맥파의 전달 속도, 호흡 압력 생체 임피던스 등과 같은 사람들 자신만의 고유한 신체 정보를 포함하고 있다.
생체 신호 측정부(112)는 생체 신호를 측정하기 위하여 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 생체 신호 측정부(112)는 상술한 사용자의 생체 신호를 센서를 이용하여 측정할 수 있으며, 사용자의 생체 신호를 측정하기 위한 센서는 센서를 구동시키는 센서 구동 수단 및 신호 전처리부를 포함할 수 있다.
생체 신호 측정부(112)는 구비된 센서를 이용하여 신체 말단에서 혈관의 용적이 변화하는 신호인 광용정맥파(photoplethysmogram, PPG)를 사용자의 생체 신호로 측정하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 생체 신호 측정부(112)는 구비된 센서를 이용하여 심장의 박동과 관련되어 있는 생체 신호인 심전도(electrocardiogram, ECG), 대뇌의 활동 상태에 따라 변화하는 생체 신호인 뇌전도(electroencephalogram, EEG), 근육의 활동 상태를 나타내는 신호인 근전도(electromyogram, EMG) 등과 같은 사용자의 생체 신호를 측정할 수 있으며, 사용자 자신만의 고유한 생체 신호에 해당되는 모든 신호가 본 발명에 개시된 생체 신호에 해당될 수 있다.
생체 신호 측정부(112)는 측정된 생체 신호를 랜덤 소수 생성장치(120)로 전송한다. 생체 신호 측정부(112)는 무선 통신 방식을 이용하여 생체 신호를 랜덤 소수 생성장치(120)로 전송하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 웨어러블 기기(110)가 랜덤 소수 생성장치(120)와 유선으로 연결되어 있거나, 랜덤 소수 생성장치(120)가 웨어러블 기기(110) 내부에 구현된 경우 생체 신호 측정부(112)는 유선 통신 방식을 이용하여 생체 신호를 랜덤 소수 생성장치(120)로 전송할 수 있다.
랜덤 소수 생성장치(120)는 생체 신호를 기반으로 난수를 생성하고, 생성된 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 장치를 말한다. 본 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치(120)는 생체 신호 획득부(122), 시드 코드 생성부(124), 난수 생성부(126) 및 랜덤 소수 생성부(128)를 포함한다. 도 1의 랜덤 소수 생성장치(120)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 1에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 랜덤 소수 생성장치(120)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
생체 신호 획득부(122)는 웨어러블 기기(110)로부터 측정된 생체 신호를 획득한다. 여기서, 생체 신호는 광용정맥파(PPG), 심전도(ECG), 뇌전도(EEG), 근전도(EMG) 등에 관한 같은 신호일 수 있다.
생체 신호 획득부(122)는 웨어러블 기기(110)와 랜덤 소수 생성장치(120)가 하나의 장치로 구현된 경우 그 구성이 생략될 수 있다. 즉, 생체 신호 측정부(112)에서 측정된 생체 신호는 시드 코드 생성부(124)로 전송될 수 있다.
시드 코드 생성부(124)는 생체 신호를 이용하여 난수를 생성하기 위한 시드 코드를 생성한다.
시드 코드 생성부(124)는 센서를 이용하여 측정된 사용자의 생체 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로부터 기 설정된 시점에 대응되는 샘플을 추출하며, 추출된 샘플의 크기를 난수 생성과 관련된 이진 코드로 변화시킨 시드 코드를 생성한다.
시드 코드 생성부(124)는 기 설정된 주기마다 갱신된 생체 신호를 획득하고, 갱신된 생체 신호를 이용하여 시드 코드를 생성한다. 여기서, 시드 코드 생성부(124)는 난수 생성부(126)에서 시드 코드를 이용하여 생성된 초기 난수가 최대 길이의 시퀀스에 도달한 경우, 갱신된 생체 신호를 이용하여 새롭게 시드 코드를 생성한다.
시드 코드 생성부(124)는 생체 신호 측정부(112)에서 측정된 사용자의 생체 신호를 입력 받을 수 있고, 입력 받은 생체 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부(124)는 생체 신호 측정부(112)에서 측정된 일정한 신호를 갖는 생체 신호에서 기 설정된 구간을 선택하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부(124)는 생체 신호 측정부(112)에서 측정된 사용자의 생체 신호를 기 설정된 시간 간격으로 샘플링(sampling) 할 수 있다. 또한, 시드 코드 생성부(124)는 사용자의 생체 신호를 샘플링 된 시점에 대응되는 생체 신호의 크기를 정수화로 양자화(quantization)시킨 디지털 신호로 변환할 수 있다.
샘플링은 시간 축 방향으로 디지털화 시키는 과정으로, 구체적으로 연속적인 시간에 대해 생성된 아날로그 신호를 기 설정된 시간 간격에 해당하는 이산적인 시간에 대한 신호로 변환시키는 과정을 나타낸다. 상술한 기 설정된 시간 간격은 1초일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 2초, 1분 또는 1시간과 같이 다양한 시간 간격에 따라 이산적인 시간에 대한 아날로그 신호 추출이 가능하다. 따라서, 샘플링에 의해 연속적인 아날로그 시간이 이산 시간으로 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따라 시드 코드 생성부(124)는 연속적인 시간에 대하여 측정된 생체 신호를 기 설정된 시간 간격을 가지는 신호로 변환할 수 있다.
상술한 바와 같이 샘플링은 연속적인 시간에 대한 신호를 이산적인 시간에 대한 신호로 변환시키는 과정인 반면 양자화는 연속적인 시간 축 상에서 각 시점에 해당되는 신호의 크기를 이산적인 분포를 갖는 신호의 크기로 재구성하는 것을 나타낸다. 상술한 재구성하는 방법에는 정수로 수치화하는 방법이 사용될 수 있다. 수치화하는 방법은 반올림이 해당될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 정수로 수치화시키는 다양한 방법이 사용될 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부(124)는 어느 한 시점에 해당하는 아날로그 신호의 크기가 10.83568인 경우 10.83568에서 소수점 뒷자리를 버림으로써 아날로그 신호의 크기를 디지털 신호의 크기인 10으로 변환할 수 있다.
또한, 상술한 방법에 의해 측정된 생체 신호의 경우 노이즈가 포함될 수 있다. 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부(124)는 노이즈에 해당하는 고주파 신호를 제거할 수 있는 저역 통과 필터(LPF)를 포함할 수 있다.
시드 코드 생성부(124)는 변환된 디지털 신호로부터 기 설정된 시점에 대응되는 샘플을 추출할 수 있고, 추출된 샘플의 크기를 난수 생성과 관련된 이진 코드로 변화시킬 수 있다.
본 명세서에서 상술한 난수 생성과 관련된 이진 코드는 시드 코드라고 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부(124)는 변환된 디지털 신호로부터 기 설정된 시점에 대응되는 복수 개인 N 개(N은 2 이상의 자연수에 해당함)의 샘플을 각각 추출할 수 있다. 또한, 시드 코드 생성부(124)는 추출된 N 개의 샘플에 해당되는 샘플의 크기를 이진 코드로 변환시켜 N 개의 샘플 코드를 생성할 수 있다. 시드 코드 생성부(124)는 생성된 N 개의 샘플 코드를 조합하여 시드 코드를 생성할 수 있다.
난수 생성부(126)는 시드 코드를 기반으로 초기 난수를 생성하고, 시드 코드와 초기 난수를 연산 처리하여 난수를 생성한다.
구체적으로, 난수 생성부(126)는 시드 코드를 입력 받아 저장하고, 클락 신호에 응답하여 시드 코드에 포함된 비트 값 각각을 순차적으로 이동시키면서 생성된 적어도 하나의 비트 정보를 포함하는 초기 난수를 생성한다.
이후, 난수 생성부(126)는 초기 난수에 포함된 비트 정보를 시드 코드와 혼합 연산하여 난수 코드를 생성하고, 난수 코드를 기 설정된 비트의 난수로 출력한다.
랜덤 소수 생성부(128)는 난수 생성부(126)에서 생성된 난수를 획득하고, 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 동작을 수행한다.
랜덤 소수 생성부(128)는 기 설정된 소수 값을 저장하고, 난수와 저장된 소수 값을 비교하여 난수의 소수 여부를 판별할 수 있다.
랜덤 소수 생성부(128)는 난수 생성부(126)에서 생성된 난수가 소수인 것으로 판별된 경우 해당 난수를 랜덤 소수로 선정하여 출력한다. 한편, 랜덤 소수 생성부(128)는 난수가 소수가 아닌 것으로 판별된 경우 해당 난수를 폐기 처리하고 신규로 생성된 난수의 소수 여부를 판별하는 동작을 반복한다.
한편, 도 1에서, 웨어러블 기기(110) 및 랜덤 소수 생성장치(120)는 별도의 장치인 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 랜덤 소수를 생성하는 랜덤 소수 생성 모듈(미도시)을 포함하는 웨어러블 기기(110)와 같이 하나의 장치로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에 포함된 난수 생성부를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 실시예에 따른 난수 생성부(126)는 난수 패턴 생성부(210), 혼합 게이트 연산부(220) 및 난수 출력부(230)를 포함한다. 도 2의 난수 생성부(126)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 2에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 난수 생성부(126)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
난수 패턴 생성부(210)는 시드 코드를 입력 받아 저장하고, 클락 신호에 응답하여 시드 코드에 포함된 비트 값 각각을 순차적으로 이동시키면서 생성된 적어도 하나의 비트 정보를 포함하는 초기 난수를 생성한다.
난수 패턴 생성부(210)는 초기 난수 생성을 위하여 적어도 하나의 비트 정보를 생성하는 것을 반복하도록 클락 신호를 제어할 수 있다. 여기서, 클락 신호는 논리상태 H(high,논리 1)와 L(low,논리 0)이 주기적으로 나타나는 방형파 신호를 나타낸다.
난수 패턴 생성부(210)에서 초기 난수를 생성하는 동작을 도 11 내지 도 14에서 자세히 설명하도록 한다.
혼합 게이트 연산부(220)는 초기 난수에 포함된 비트 정보를 상기 시드 코드와 혼합 연산하여 난수 코드를 생성하는 동작을 수행한다.
혼합 게이트 연산부(220)는 초기 난수와 시드 코드를 비교하여 서로 같은 비트 값인 경우 또는 서로 다른 비트 값인 경우 참(1)의 난수 코드를 생성할 수 있다. 예를 들어, 혼합 게이트 연산부(220)는 제1 혼합 게이트(XOR 게이트)를 이용하여 초기 난수와 시드 코드를 비교한 비교 결과 서로 다른 비트 값인 경우, 참(1)의 난수 코드를 생성하여 난수가 출력되도록 한다.
한편, 혼합 게이트 연산부(220)는 제2 혼합 게이트(XNOR 게이트)를 이용하여 초기 난수와 시드 코드를 비교한 비교 결과 서로 같은 비트 값인 경우, 참(1)의 난수 코드를 생성하여 난수가 출력되도록 한다.
난수 출력부(230)는 난수 코드를 기 설정된 비트의 난수로 출력하는 동작을 수행한다. 난수 출력부(230)는 생성된 난수를 랜덤 소수 생성부(128)로 전달하여 랜덤 소수가 생성되도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에 포함된 랜덤 소수 생성부를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 실시예에 따른 랜덤 소수 생성부(128)는 랜덤 소수 판별부(310) 및 랜덤 소수 출력부(320)를 포함한다. 도 3의 랜덤 소수 생성부(128)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 3에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 랜덤 소수 생성부(128)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
랜덤 소수 판별부(310)는 기 설정된 소수 값을 저장하고, 난수와 소수 값을 비교하여 상기 난수의 소수 여부를 판별하는 동작을 수행한다.
랜덤 소수 판별부(310)는 난수가 소수가 아닌 것으로 판별된 경우, 해당 난수를 폐기 처리하고 신규로 생성된 난수의 소수 여부를 판별하는 동작을 수행한다.
랜덤 소수 출력부(320)는 랜덤 소수 판별부(310)에서 난수가 소수인 것으로 판별된 경우, 해당 난수를 랜덤 소수로 선정하여 출력하는 동작을 수행한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체 신호를 기반으로 시드 코드를 생성하는 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
PPG 센서는 대부분의 웨어러블 기기(110)에 내장되어 있으며, 심장의 움직임과 동맥 혈류의 흐름 변화를 포착함으로써 동맥 혈류의 수치를 측정한다.
PPG 센서는 손가락이 움직이거나 빛의 변화할 때와 같이, 물리적 및 환경적 요소에 따라 신호에 노이즈가 많이 포함되는 단점이 있다. 이러한 단점은
난수를 생성하기 위하여 생체 신호를 기반으로 시드 코드를 생성하는 과정에서 유리하게 적용된다. 즉, 이러한 생체 신호는 사람 또는 주변 환경의 아주 미세한 움직임에 따라 매번 변하고, 예측할 수 없는 값이기 때문에 패턴을 예측할 수 없는 난수를 생성하는데 유리하다.
PPG 센서의 생체 신호(데이터 값)을 난수 생성부(TRNG)의 시드 코드(물리적 소스)로 사용하려면 아날로그 신호를 16 비트의 디지털 데이터 값으로 변환해야 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, PPG 센서에서 출력된 아날로그 신호 형태의 생체 신호(S410)는 샘플링되고(S420) 샘플링된 값은 ADC 모듈을 통해 16 비트 데이터 값으로 변환된다(S430). 아날로그 신호 형태의 생체 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정은 랜덤 소수 생성장치(120)에서 수행되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 웨어러블 기기(110)의 ADC에서 PPG 아날로그 신호를 디지털 신호 처리를 위해 디지털 신호로 변환할 수도 있다.
ADC를 통해 16 비트 데이터 값이 생성될 때, 타이머 인터럽트가 원하는 시간에 발행되어 16 비트 데이터 값을 얻고, 얻어진 16 비트의 데이터를 난수 생성부에서 난수를 발생시키기 위한 시드 코드(물리적 소스)로 사용한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 생체 신호를 디지털 신호로 변화시키는 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5의 (a) 및 도 5의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체 신호 측정부는 센서를 이용하여 사용자의 심장 박동과 동기화되어 혈량의 변화를 나타내는 PPG(Photoplethysmogram) 신호를 측정할 수 있다.
사용자의 심장 박동에 동기화되어 손가락 끝 혈관에서의 동맥혈량(Arterial Blood volume) 및 정맥혈량(Venous blood volume)이 증가하고 줄어드는 상태가 반복되고, 빛이 흡수되는 정도는 지나가는 경로에 있는 피부, 조직, 혈액의 양에 비례한다. 따라서, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)를 참조하면, 생체 신호 측정부는 센서를 이용하여 도 5의 (a)에서와 같이 혈량의 변화에 따라 빛을 흡수할 수 있고, 흡수되는 빛의 광량을 이용하여 PPG 신호를 측정할 수 있으며, 측정된 PPG 신호를 그래프로 출력 할 수 있다. 도 5의 (b)는 출력된 PPG 신호 그래프의 일부분을 추출하여 나타낸 것이며, PPG 신호는 일정한 주기를 가질 수 있다. 단, 상술한 PPG 신호는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 생체 신호와 관련된 다양한 신호일 수 있다.
도 5의 (c)는 생체 신호 디지털 변환부가 도 5의 (b)에 나타난 PPG 신호 그래프를 기 설정된 시간 간격으로 샘플링하고, 샘플링 된 시점에 대응되는 생체 신호의 크기를 양자화 레벨 12로 정수화시켜 디지털 신호로 변환한 그래프를 나타낸 것이다. 단, 상술한 샘플링 및 양자화 레벨은 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 시드 코드를 생성하는 방법을 나타낸 예시도이다.
도 6a의 (a)에 나타난 그래프는 도 5의 (c)에서와 동일한 그래프로 PPG 신호 그래프가 양자화 레벨 12로 정수화된 디지털 신호로 변환된 그래프를 나타낸 것이고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부는 t 시점에 대응되는 샘플(510)을 추출할 수 있고, 추출된 샘플(510)의 크기는 10을 나타낸다.
도 6a의 (b)를 참조하면, 시드 코드 생성부는 도 6a의 (a)에서 추출된 샘플(510)의 크기 10을 난수 생성과 관련된 이진 코드인 1010(10=23+21)(520)으로 변환할 수 있다. 상술한 4bit 코드인 1010(520)이 시드 코드에 해당한다.
도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부는 변환된 디지털 신호로부터 기 설정된 시점에 대응되는 N개의 샘플 각각을 추출할 수 있다. 도 6b의 (a)를 참조하면 시드 코드 생성부는 기 설정된 시점인 t1에 대응되는 샘플 1(610), t2에 대응되는 샘플 2(620), t3에 대응되는 샘플 3(630) 및 t4에 대응되는 샘플 4(640)인 4개의 샘플을 추출할 수 있다. 단, 상술한 예는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 시드 코드 생성부는 다양한 개수의 샘플을 추출할 수 있다.
도 6b의 (b)를 참조하면, 시드 코드 생성부는 추출된 4개의 샘플 각각에 해당되는 샘플 크기를 4 비트인 샘플 코드로 변환할 수 있다. 구체적으로, 추출된 샘플 1(610)의 크기는 10을 나타내며 시드 코드 생성부는 추출된 샘플 1(610)의 크기 10을 이진 코드로 변환시켜 1010인 제1 샘플 코드(611)을 생성할 수 있다. 추출된 샘플 2(620)의 크기는 6을 나타내며 시드 코드 생성부는 추출된 샘플 2(620)의 크기 6을 이진 코드로 변환시켜 0110인 제2 샘플 코드(621)을 생성할 수 있다. 추출된 샘플 3(630)의 크기는 4을 나타내며 시드 코드 생성부는 추출된 샘플 3(630)의 크기 4를 이진 코드로 변환시켜 0100인 제3 샘플 코드(631)을 생성할 수 있다. 추출된 샘플 4(640)의 크기는 6을 나타내며 시드 코드 생성부는 추출된 샘플 4(640)의 크기 6을 이진 코드로 변환시켜 0110인 제4 샘플 코드(641)을 생성할 수 있다.
도 6b의 (c)를 참조하면, 시드 코드 생성부는 생성된 4개의 샘플 코드를 4 x 4행렬로 변환시킬 수 있다. 시드 코드 생성부는 변환된 4 x 4 행렬에서 1행에서 비트 값 0(611a), 2행에서 비트 값 1(621a), 3행에서 비트 값 1(631a) 및 4행에서 비트 값 0(641a)을 추출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드 생성부는 변환된 행렬에서 각 행마다 하나의 코드만을 추출할 수 있다. 또한, 도 6b의 (c)를 참조하면, 변환된 행렬은 행과 열의 수가 같은 정사각형 모양의 행렬일 수 있고, 시드 코드 생성부는 변환된 행렬의 대각선에 해당하는 코드만을 추출할 수 있다.
또한, 상술한 예시는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 상술한 변환된 행렬은 행과 열의 수가 다른 행렬일 수 있으며 시드 코드 생성부는 하나의 행 또는 하나의 열에서 복수 개의 비트 값을 추출할 수도 있다.
도 6b의 (d)를 참조하면, 시드 코드 생성부는 도 6b의 (c)에서 추출된 비트 값을 조합하여 시드 코드에 해당하는 0110(650)을 생성할 수 있다. 단, 상술한 예시는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 추출된 비트 값은 다양한 방법으로 조합될 수 있다.
도 6c의 (a)에 나타난 4 개의 샘플 코드는 도 6b의 (b)에 나타난 4 개의 샘플 코드와 동일하다.
도 6c의 (a) 및 도 6c의 (b)를 참조하면, 시드 코드 생성부는 시드 코드(710)의 3rd 비트 값(711a)을 생성하기 위해 제1 샘플 코드(611) 및 제2 샘플 코드(621)를 추출할 수 있다. 시드 코드 생성부는 추출된 2 개의 샘플 코드 각각(611, 421)에서 3rd 비트 값(711)인 1 및 0을 추출할 수 있다. 시드 코드 생성부는 추출된 2 개의 비트 값을 논리 연산하여 시드 코드(710)의 3rd 비트 값(711a)을 생성할 수 있다. 도 6c의 (b)의 시드 코드(710)의 3rd 비트 값(711a)은 추출된 2 개의 비트 값이 배타적 논리합(XOR) 연산으로부터 논리 연산 되어 출력된 비트 값(711a)을 나타낸다.
배타적 논리합(XOR) 연산자는 입력된 2개 중 1개만 참일 때 참이 되는 논리 연산자에 해당한다.
상술한 방법과 동일한 방법을 반복하여, 시드 코드 생성부는 제2 샘플 코드(621) 및 제3 샘플 코드(631)에서 2nd 비트 값(712)을 추출하고, 추출된 2 개의 비트 값을 배타적 논리 연산하여 시드 코드(710)의 2nd 비트 값(712a)을 생성할 수 있다.
상술한 방법과 동일한 방법을 반복하여, 시드 코드 생성부는 제3 샘플 코드(631) 및 제4 샘플 코드(641)에서 1st 비트 값(713)을 추출하고, 추출된 2 개의 비트 값을 배타적 논리 연산하여 시드 코드(710)의 1st 비트 값(713a)을 생성할 수 있다.
마찬가지로, 시드 코드 생성부는 제4 샘플 코드(641) 및 제1 샘플 코드(611)에서 0th 비트 값(714)을 추출하고, 추출된 2 개의 비트 값을 배타적 논리 연산하여 시드 코드(710)의 0th 비트 값(714a)을 생성할 수 있다.
따라서, 시드 코드 생성부는 상술한 방법에 의해 출력된 비트 값을 조합하여 시드 코드를 생성할 수 있다. 단, 상술한 예시는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 다양한 방법에 의해 조합될 수 있으며, 논리 연산 또한 XOR 이외에도 논리합(OR), 논리곱(AND), 논리곱 부정(NAND) 또는 논리합 부정(NOR)과 같은 다양한 논리 연산이 가능하다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에서 난수를 생성하기 위한 회로도를 나타낸 도면이다.
도 7에서는 랜덤 소수 생성장치(120)에서 난수를 생성하기 위한 난수 생성부(126)의 회로도를 나타낸다. 여기서, 난수 생성부(126)는 순수 난수 생성기(TRNG)을 기반으로 개량된 구조일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 난수 생성부(126)에서 난수 패턴 생성부(210)는 일반적인 LFSR 모듈(700)과 피드백 다항식 모듈(702)이 결합된 구조를 가진다. 여기서, 피드백 다항식 모듈(702)은 기 설정된 비트 수에 따라 고정된 다항식으로 고정될 수 있다. 예를 들어, 피드백 다항식 모듈(702)은 16 비트에서 65,535 개의 난수의 최대 길이 시퀀스를 생성하기 위해 x16 + x15 + x13 + x14 + 1로 고정될 수 있다. 여기서, LFSR 모듈(700)은 초기 시드 값을 필요로 하고, 본 발명에서는 PPG 센서에서 얻은 16 비트 디지털 값을 이용하여 생성된 시드 코드를 초기 시드 값으로 사용한다.
난수 패턴 생성부(210)는 중복없이 다항식에 의해 출력이 결정되고, 이러한 출력은 초기 난수를 출력하는 연산의 전체 주기 후에 연속적으로 반복된다. 따라서, 고정된 다항식으로 인해 시드 코드가 주기적으로 변경되더라도 공격자가 최대 시퀀스 수를 두 번 이상 획득하면 난수 패턴 생성부(210)에서 다음으로 생성되는 난수를 예측할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 난수 생성부(126)에서는 생체 신호를 기반으로 얻은 16 비트의 시드 코드(물리적 랜덤 소스)와 난수 패턴 생성부(210)에서 출력된 초기 난수를 혼합하는 혼합 게이트 연산부(220)를 추가로 포함한다. 여기서, 혼합 게이트 연산부(220)는 XOR 게이트 또는 XNOR 게이트로 구성될 수 있다.
본 발명의 난수 생성부(126)는 초기 난수와 예측할 수 없는 시드 코드가 혼합 게이트에 의해 연산되므로, 종래의 LFSR보다 더 복잡한 난수 패턴을 발생한다.
또한, 본 발명의 난수 생성부(126)는 16 비트 LFSR의 최대 길이 시퀀스에 도달 할 때마다 신규 생체 신호를 획득하고, 새롭게 획득된 신규 생체 신호 즉, 변경된 생체 신호를 이용하여 생성된 시드 코드를 기반으로 패턴을 예측할 수 없는 완전한 난수를 생성할 수 있다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성장치에서 랜덤 소수를 생성하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 랜덤 소수 판별부(310)는 난수 생성부(126)의 난수 출력부(230)에서 출력된 난수들과 파라미터로 저장된 소수 값을 비교한다.
랜덤 소수 판별부(310)는 난수 생성부(126)에서 생성된 난수들과 파라미터로 저장된 소수 값이 일치하면 소수로 판단하며, 판단된 소수를 랜덤 소수로 출력한다.
본 발명의 랜덤 소수 생성장치(120)를 통해 생성된 랜덤 소수는 RSA 암호화 알고리즘에서의 소수 변수 p, q 값으로 사용이 가능하다. p, q 값을 예측될 수 없는 소수를 사용한다. 또한, AES, DSA 같은 다양한 암호화 방식에서 Key를 생성할 때 본 발명이 활용될 수 있으며, Key 유출시 실시간 무작위 소수 생성을 통해 즉각적인 키 재생성이 가능하다.
본 발명의 랜덤 소수 생성장치(120)는 예측할 수 없는 무작위 소수를 생성할 수 있고, 난수 기반의 랜덤 소수를 실시간으로 처리할 수 있다는 장점을 가진다. 특히, 랜덤 소수의 실시간 처리는 실시간으로 데이터를 반복적으로 주고받는 상황에서 매우 큰 장점을 가진다. 즉, 본 발명의 랜덤 소수 생성장치(120)를 암호화 분야에 적용하는 경우, 실시간 암호화와 복호화가 가능하다는 의미로 해석될 수 있으며, 이러한 실시간성은 웨어러블 기기(110) 뿐만 아니라, 무인자동차 시장, IoT 통신 등과 같이 다양한 분야로 확장 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 소수 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
랜덤 소수 생성장치(120)는 웨어러블 기기(110)로부터 측정된 생체 신호를 획득한다(S910). 여기서, 생체 신호는 광용정맥파(PPG), 심전도(ECG), 뇌전도(EEG), 근전도(EMG) 등에 관한 같은 신호일 수 있다.
랜덤 소수 생성장치(120)는 생체 신호를 이용하여 난수를 생성하기 위한 시드 코드를 생성한다(S920). 구체적으로, 랜덤 소수 생성장치(120)는 센서를 이용하여 측정된 사용자의 생체 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로부터 기 설정된 시점에 대응되는 샘플을 추출하며, 추출된 샘플의 크기를 난수 생성과 관련된 이진 코드로 변화시킨 시드 코드를 생성한다.
랜덤 소수 생성장치(120)는 시드 코드를 기반으로 초기 난수(난수 패턴)를 생성하고(S930), 시드 코드와 초기 난수를 혼합 게이트 연산 처리하여 난수를 생성한다(S940). 구체적으로, 랜덤 소수 생성장치(120)는 시드 코드를 입력 받아 저장하고, 클락 신호에 응답하여 시드 코드에 포함된 비트 값 각각을 순차적으로 이동시키면서 생성된 적어도 하나의 비트 정보를 포함하는 초기 난수를 생성한다. 이후, 랜덤 소수 생성장치(120)는 초기 난수에 포함된 비트 정보를 시드 코드와 혼합 연산하여 난수 코드를 생성하고, 난수 코드를 기 설정된 비트의 난수로 출력한다.
랜덤 소수 생성장치(120)는 생성된 난수의 소수 여부를 판별한다(S950). 랜덤 소수 생성장치(120)는 기 설정된 소수 값을 저장하고, 난수와 저장된 소수 값을 비교하여 난수의 소수 여부를 판별한다.
랜덤 소수 생성장치(120)는 생성된 난수가 소수인 것으로 판별된 경우 해당 난수를 랜덤 소수로 선정하여 출력한다(S960). 한편, 랜덤 소수 생성장치(120)는 난수가 소수가 아닌 것으로 판별된 경우 해당 난수를 폐기 처리하고 신규로 생성된 시드 코드를 이용하여 생성된 난수의 소수 여부를 판별하는 동작을 반복한다.
도 9에서는 각 단계를 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 9에 기재된 단계를 변경하여 실행하거나 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 9는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
도 9에 기재된 본 실시예에 따른 랜덤 소수 생성 방법은 애플리케이션(또는 프로그램)으로 구현되고 단말장치(또는 컴퓨터)로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 본 실시예에 따른 랜덤 소수 생성 방법을 구현하기 위한 애플리케이션(또는 프로그램)이 기록되고 단말장치(또는 컴퓨터)가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨팅 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치 또는 매체를 포함한다.
도 10는 일반적인 난수 생성 결과와 본 발명의 실시예에 따른 난수 생성 결과를 비교한 도면이다.
Verilog 및 Intel Quartus2와 같은 설계 도구를 사용하여 본 발명의 랜덤 소수 생성장치(120)를 구현할 수 있다.
본 발명의 랜덤 소수 생성장치(120)의 우수성을 검증하기 위하여, 본 발명의 랜덤 소수 생성장치(120)는 일반적인 의사 난수 생성기(PRNG) 및 다항식 수정이 가능한 의사 난수 생성기(PRNG)와 비교한다. 이에, 시뮬레이션을 수행하여 16 비트 난수 생성기(PRNG)에서 최대 길이 시퀀스(예: 250,000 이상의 수)의 4 사이클을 생성하고, 난수를 NIST Test Suites를 통해 평가한다. 테스트 결과는 [표 1]에 기재되어 있다.
Figure pat00001
일반적인 의사 난수 생성기(PRNG)은 테스트에서 가장 기본적인 난수 조건인 정확히 동일한 0 및 1 비율을 가지는 패턴을 생성한다. 그러나, 도 10의 (a)와 같이, 일반적인 의사 난수 생성기(PRNG)은 최대 길이 시퀀스가 생성된 후 값이 계속 반복되기 때문에 대부분의 테스트에서 실패한다.
다음으로, 다항식 수정이 가능한 의사 난수 생성기(PRNG)에서 다항식을 연속적으로 변경함으로써 출력되는 임의의 값은 예측되지 않는다. 그러나, 모든 다항식이 의사 난수 생성기(PRNG)의 최대 시퀀스를 생성 할 수 있는 것은 아니다. 즉, 시퀀스의 길이가 연속적으로 변화하기 때문에, 도 10의 (b)와 같이 다항식에 따라 난수의 0 및 1 비율이 달라진다. 따라서, NIST 테스트 스위트에서 가장 기본적인 난수 특성인 주파수 테스트(즉, 0 대 1의 비율)는 충족되지 않는다. 결과적으로, 난수의 패턴이 종래의 LFSR보다 더 복잡하더라도, 실제 난수를 요구하는 애플리케이션에 적용하기에는 어렵다.
그러나, 생체 신호를 사용하는 본 발명에 따른 랜덤 소수 생성장치(120)는 [표 1]에 나와있는 모든 테스트를 통과한 것을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 랜덤 소수 생성장치(120)는 주기적으로 시드 코드를 변경하면서 최대 길이 시퀀스를 생성하기 때문에 도 10의 (c)와 같이, 생성된 난수는 주기성이 없으므로 예측할 수 없다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 난수 패턴 생성부에서 초기 난수를 생성하는 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 11을 참조하면, 난수 패턴 생성부(210)는 4개의 플립플롭(flip-flop, FF)(141a 내지 141d) 및 4개의 멀티플렉서(141-1 내지 141-4)를 포함할 수 있다. 단, 상술한 플립플롭 및 멀티플렉서의 개수는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며 플립플롭 및 멀티플렉서의 개수가 4개 보다 작거나 4개 보다 많을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플립플롭은 입력되는 값을 클락 신호의 엣지(edge)에서 캡처해서 출력에 반영하고, 엣지가 발생하지 않는 시간에는 출력이 변하지 않고 유지하는 성질을 가진 D 플립플롭일 수 있다.
본 명세서에서 도면에는 도시하지 않았지만 레지스터에 포함된 플립플롭에는 클락 신호 라인이 연결되어 있어, 플립플롭은 클락 신호에 응답하여 동작할 수 있다.
4개의 멀티플렉서는 선택 신호(701)에 응답하여 생성된 시드 코드의 비트 값을 각각 4개의 플립플롭(141a 내지 141d)으로 선택적으로 출력시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위해 상술한 시드 코드는 도 6a에서 설명한 시드 코드를 예를 들어 설명하도록 한다. 단, 상술한 시드 코드는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 시드 코드가 될 수 있다.
구체적으로 제1 멀티플렉서(141-1)는 선택 신호(701)에 응답하여 시드 코드의 비트 값 중 0th 비트 값인 0을 선택하여 제1 플립플롭(141a)으로 출력시킬 수 있다. 또한, 제2 멀티플렉서(141-2)는 선택 신호(701)에 응답하여 시드 코드의 비트 값 중 1st 비트 값인 1을 선택하여 제2 플립플롭(141b)으로 출력시킬 수 있다. 또한, 제3 멀티플렉서(141-3)는 선택 신호(701)에 응답하여 시드 코드의 비트 값 중 2nd 비트 값인 0을 선택하여 제3 플립플롭(141c)으로 출력시킬 수 있다. 또한, 제4 멀티플렉서(141-4)는 선택 신호(701)에 응답하여 시드 코드의 비트 값 중 3rd 비트 값인 1을 선택하여 제4 플립플롭(141d)으로 출력시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 시드 코드에 해당하는 비트 값 중 '1'은 전압(혹은 전류)이 높은 레벨일 때 쓰이는 H(high)를 나타내고, '0'은 전압(혹은 전류)이 낮은 레벨일 때 쓰이는 L(low)를 나타낸다.
4개의 플립플롭(141a 내지 141d)은 생성된 시드 코드의 비트 값을 4개의 멀티플렉서(141-1 내지 141-4)로부터 각각 입력 받을 수 있고, 4개의 플립플롭(141a 내지 141d)은 입력 받은 시드 코드의 비트 값을 저장할 수 있다. 또한, 4개의 플립플롭(141a 내지 141d) 각각은 클락 신호에 응답하여 저장된 시드 코드(131)의 비트 값을 출력(out 1 내지 out 4)할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 플립플롭(141a)은 0을 출력으로, 제2 플립플롭(141b)은 1을 출력으로, 제3 플립플롭(141c)은 0을 출력으로, 제4 플립플롭(141d)은 1을 출력시킬 수 있다.
제1 내지 제4 플립플롭(141a 내지 141d) 중 각각의 플립플롭의 출력은 다음 플립플롭의 입력으로 연결되도록 순차적으로 제1 내지 제4 멀티플렉서(141-1 내지 141-4)와 연결되어 있다. 구체적으로 제1 FF(141a)의 출력은 제2 멀티플렉서(141-2)의 입력에 연결되어 있고 제2 멀티플렉서(141-2)의 출력은 제2 FF(141b)의 입력에 연결되어 있다. 따라서, 제2 멀티플렉서(141-2)는 선택 신호(701)에 응답하여 제1 FF(141a)의 출력을 선택하여 제1 FF(141a)에 저장되어 있던 비트 값을 제2 FF(141b)로 이동시킬 수 있다. 따라서, 제2 FF(141b)는 제1 FF(141a)에 저장되어 있던 비트 값을 전달 받을 수 있고, 제2 FF(141b)는 전달 받은 비트 값을 저장할 수 있다. 마찬가지로, 제2 FF(141b)의 출력은 제3 멀티플렉서(141-3)의 입력에 연결되어 있고, 제3 멀티플렉서(141-3)의 출력은 제3 FF(141c)의 입력에 연결되어 있으므로 제2 FF(141b)의 비트 값은 제3 FF(141c)로 전달될 수 있다. 또한, 제3 FF(141c)의 출력은 제4 멀티플렉서(141-4)의 입력에 연결되어 있고, 제4 멀티플렉서(141-4)의 출력은 제4 FF(141d)의 입력에 연결되어 있으므로 제3 FF(141c)의 비트 값 또한 제4 FF(141d)로 전달될 수 있다.
상술한 방법에 의해 4개의 플립플롭(141a 내지 141d) 각각은 저장된 시드 코드의 비트 값을 출력하여 제1 초기 난수를 생성할 수 있고, 4개의 플립플롭(141a 내지 141d) 각각은 제1 난수를 생성한 후 4개의 플립플롭(141a 내지 141d) 각각에 저장된 시드 코드의 비트 값을 연결되어 있는 다음 플립플롭으로 이동시켜 다시 새로운 비트 값을 출력하여 제2 초기 난수를 생성할 수 있으며, 상술한 방법이 반복될 수 있다.
도 12을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 난수 패턴 생성부(210)는 도 11과 다르게 제4 플립플롭(141d)의 출력이 제1 멀티플렉서(141-1)의 입력에 연결되어 있고, 제1 멀티플렉서(141-1)의 출력은 제1 플립플롭(141a)의 입력에 연결되어 있다. 또한, 초기 난수를 생성하기 위한 최종 출력은 제4 플립플롭(141d)의 출력에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 제4 플립플롭(141d) 출력은 최종 플립플롭(141d)의 출력에 해당되며 최종 플립플롭(141d)에서 출력되는 출력 값은 난수와 관련된 비트 값 및 제1 플립플롭(141a)에 저장되도록 제1 멀티플렉서(141-1)의 입력으로 피드백시키는 비트 값을 포함한다.
구체적으로, 제4 FF(141d)에 초기 저장된 비트 값이 시드 코드의 3rd 비트 값인 1이라고 하고, 난수 생성 장치는 4 비트의 난수를 생성한다고 할 때 제4 FF(141d)는 난수의 3rd 비트에 해당하는 비트 값인 1을 출력함과 동시에 제4 FF(141d)의 비트 값인 1은 제1 멀티플렉서(141-1)의 입력으로 피드백 되어 제1 FF(141a)에 전달될 수 있고, 제1 FF(141a)는 전달된 비트 값을 저장할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 난수 패턴 생성부(210)는 상술한 방법을 반복하여 초기 난수를 생성할 수 있다.
도 13를 참조하면, 난수 패턴 생성부(210)는 논리 연산부(143)를 더 포함할 수 있다. 논리 연산부(143)는 최종 플립플롭(141d)에서 출력된 비트 값 및 최종 플립플롭(141d) 이외의 플립플롭에서 출력된 비트 값을 입력 받을 수 있다. 논리 연산부(143)는 입력 받은 두 비트 값을 논리 연산할 수 있고, 논리 연산된 결과에 해당하는 비트 값을 제1 멀티플렉서(141-1)에 전달할 수 있으며, 제1 멀티플렉서(141-1)는 논리 연산부(143)로부터 전달 받은 비트 값을 선택 신호(701)에 응답하여 제1 FF(141a)로 출력시킬 수 있다. 따라서, 제1 FF(141a)은 논리 연산부(143)에서 논리 연산된 비트 값을 입력 받을 수 있고, 제1 FF(141a)는 입력 받은 비트 값을 저장할 수 있다.
논리 연산부(143)는 입력된 2개 중 1개만 참일 때 참이 되는 논리 연산에 해당하는 배타적 논리합(XOR) 연산, 입력된 2개 중 적어도 1개가 참이면 참이 되는 논리 연산에 해당하는 논리합(OR), 입력된 2개 모두 참일 때 참이 되는 논리 연산에 해당하는 논리곱(AND), 논리곱의 출력을 부정(NOT)하는 논리곱 부정(NAND) 또는 논리합의 출력을 부정하는 논리합 부정(NOR) 등 다양한 논리 연산을 할 수 있다. 한편, 논리 연산부(143)는 단순한 논리 게이트로 구성되는 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 도 7의 피드백 다항식 모듈(702)과 같이 기 설정된 비트 수에 따라 고정된 다항식을 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
따라서, 난수 패턴 생성부(210)은 상술한 과정을 반복하면서 도 12과 동일한 방법으로 초기 난수를 생성할 수 있다.
도 14을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 난수 패턴 생성부(210)는 복수 개의 논리 연산부를 포함할 수 있으며, 도 14에서 난수 패턴 생성부(210)는 제1 논리 연산부(143a) 및 제2 논리 연산부(143b)인 2개의 논리 연산부(143a, 143b)를 포함할 수 있다. 단, 상술한 2개의 논리 연산부(143a, 143b)는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며 난수 패턴 생성부(210)는 2개 이상의 복수 개의 논리 연산부를 포함할 수 있다.
구체적으로 제1 논리 연산부(143a)는 제4 FF(141d)에서 출력된 값과 제3 FF(141c)에서 출력된 값을 입력 받아 논리 연산한 제1 결과 값을 출력할 수 있다. 제2 논리 연산부(143b)는 제1 논리 연산부(143a)에서 출력된 제1 결과 값 및 제2 FF(141b)에서 출력된 값을 입력 받아 논리 연산한 제2 결과 값을 출력할 수 있다. 제2 논리 연산부(143b)는 출력된 제2 결과 값을 제1 멀티플렉서(141-1)에 전달할 수 있으며, 제1 멀티플렉서(141-1)는 전달 받은 제2 결과 값을 선택 신호(701)에 응답하여 제1 FF(141a)로 출력시킬 수 있다. 따라서, 제1 FF(141a)는 제2 논리 연산부(143b)에서 논리 연산된 제2 결과 값을 입력 받을 수 있고, 제1 FF(141a)는 입력 받은 논리 연산된 제2 결과 값을 저장할 수 있다.
상술한 제1 및 제2 논리 연산부(143a, 143b) 각각은 배타적 논리합(XOR), 논리합(OR), 논리곱(AND), 논리곱 부정(NAND) 또는 논리합 부정(NOR) 등 다양한 논리 연산을 할 수 있으며, 제1 논리 연산부(143a)와 제2 논리 연산부(143b)는 서로 같은 논리 연산을 할 수 있다. 또한, 제1 논리 연산부(143a)와 제2 논리 연산부(143b)는 서로 다른 논리 연산을 할 수도 있다. 한편, 제1 및 제2 논리 연산부(143a, 143b) 각각은 단순한 논리 게이트로 구성되는 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 도 7의 피드백 다항식 모듈(702)과 같이 기 설정된 비트 수에 따라 고정된 다항식을 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
따라서, 난수 패턴 생성부(210)는 상술한 과정을 반복하면서 난수를 생성할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 랜덤 소수 생성 시스템
110: 웨어러블 기기 120: 랜덤 소수 생성장치
122: 생체 신호 획득부 124: 시드 코드 생성부
126: 난수 생성부 128: 랜덤 소수 생성부
210: 난수 패턴 생성부 220: 혼합 게이트 연산부
230: 난수 출력부 310: 랜덤 소수 판별부
320: 랜덤 소수 출력부

Claims (15)

  1. 랜덤으로 소수를 생성하는 장치에 있어서,
    생체 신호를 이용하여 시드 코드를 생성하는 시드 코드 생성부;
    상기 시드 코드를 기반으로 초기 난수를 생성하고, 상기 시드 코드와 상기 초기 난수를 연산 처리하여 난수를 생성하는 난수 생성부; 및
    상기 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 랜덤 소수 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 난수 생성부는,
    상기 시드 코드를 입력 받아 저장하고, 클락 신호에 응답하여 상기 시드 코드에 포함된 비트 값 각각을 순차적으로 이동시키면서 생성된 적어도 하나의 비트 정보를 포함하는 상기 초기 난수를 생성하는 난수 패턴 생성부;
    상기 초기 난수에 포함된 비트 정보를 상기 시드 코드와 혼합 연산하여 난수 코드를 생성하는 혼합 게이트 연산부; 및
    상기 난수 코드를 기 설정된 비트의 상기 난수로 출력하는 난수 출력부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 게이트 연산부는,
    상기 초기 난수와 상기 시드 코드를 비교하여 서로 같은 비트 값인 경우, 참(1)의 난수 코드를 생성하여 상기 난수가 출력되도록 하는 랜덤 소수 생성장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 게이트 연산부는,
    상기 초기 난수와 상기 시드 코드를 비교하여 서로 다른 비트 값인 경우, 참(1)의 난수 코드를 생성하여 상기 난수가 출력되도록 하는 랜덤 소수 생성장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 소수 생성부는,
    기 설정된 소수 값을 저장하고, 상기 난수와 상기 소수 값을 비교하여 상기 난수의 소수 여부를 판별하는 랜덤 소수 판별부; 및
    상기 난수가 소수인 것으로 판별된 경우, 상기 난수를 상기 랜덤 소수로 선정하여 출력하는 랜덤 소수 출력부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 랜덤 소수 생성부는,
    상기 난수가 소수가 아닌 것으로 판별된 경우, 해당 난수를 폐기 처리하고 신규로 생성된 난수의 소수 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시드 코드 생성부는,
    센서를 이용하여 측정된 사용자의 상기 생체 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로부터 기 설정된 시점에 대응되는 샘플을 추출하여, 상기 추출된 샘플의 크기를 난수 생성과 관련된 이진 코드로 변화시킨 상기 시드 코드를 생성하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시드 코드 생성부는,
    기 설정된 주기마다 갱신된 생체 신호를 획득하고, 상기 갱신된 생체 신호를 이용하여 상기 시드 코드를 생성하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시드 코드 생성부는,
    상기 난수 생성부에서 상기 시드 코드를 이용하여 생성된 상기 초기 난수가 최대 길이의 시퀀스에 도달한 경우, 상기 갱신된 생체 신호를 이용하여 상기 시드 코드를 생성하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성장치.
  10. 랜덤 소수 생성장치가 랜덤으로 소수를 생성하는 방법에 있어서,
    생체 신호를 이용하여 시드 코드를 생성하는 시드 코드 생성 단계;
    상기 시드 코드를 기반으로 초기 난수를 생성하고, 상기 시드 코드와 상기 초기 난수를 연산 처리하여 난수를 생성하는 난수 생성 단계; 및
    상기 난수의 소수 여부를 판별하여 랜덤 소수를 생성하는 랜덤 소수 생성 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 난수 생성 단계는,
    상기 시드 코드를 입력 받아 저장하고, 클락 신호에 응답하여 상기 시드 코드에 포함된 비트 값 각각을 순차적으로 이동시키면서 생성된 적어도 하나의 비트 정보를 포함하는 상기 초기 난수를 생성하는 난수 패턴 생성 단계;
    상기 초기 난수에 포함된 비트 정보를 상기 시드 코드와 혼합 연산하여 난수 코드를 생성하는 혼합 게이트 연산 단계; 및
    상기 난수 코드를 기 설정된 비트의 상기 난수로 출력하는 난수 출력 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 혼합 게이트 연산 단계는,
    상기 초기 난수와 상기 시드 코드를 비교하여 서로 같은 비트 값인 경우, 참(1)의 난수 코드를 생성하여 상기 난수가 출력되도록 하는 랜덤 소수 생성방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 랜덤 소수 생성 단계는,
    기 설정된 소수 값을 저장하고, 상기 난수와 상기 소수 값을 비교하여 상기 난수의 소수 여부를 판별하는 랜덤 소수 판별 단계; 및
    상기 난수가 소수인 것으로 판별된 경우, 상기 난수를 상기 랜덤 소수로 선정하여 출력하는 랜덤 소수 출력 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 시드 코드 생성 단계는,
    기 설정된 주기마다 갱신된 생체 신호를 획득하고, 상기 갱신된 생체 신호를 이용하여 상기 시드 코드를 생성하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 시드 코드 생성 단계는,
    상기 난수 생성 단계에서 상기 시드 코드를 이용하여 생성된 상기 초기 난수가 최대 길이의 시퀀스에 도달한 경우, 상기 갱신된 생체 신호를 이용하여 상기 시드 코드를 생성하는 것을 특징으로 하는 랜덤 소수 생성방법.
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