TWI601063B - 使用亂數產生器的電腦系統與資料處理方法 - Google Patents

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Description

使用亂數產生器的電腦系統與資料處理方法
本發明係關於一種使用亂數產生器的電腦系統與資料處理方法。
許多使用者應用程式中的安全性作業，例如加密(cryptographic)程序或是身份識別(identification)，都需要使用到亂數。習知產生亂數的作法可使用作業系統中的亂數產生器(PRNG)，著名的範例為Linux®系統的亂數產生器(LRNG)，更多的細節可參考論文：Zvi Gutterman,Benny Pinkas,and Tzachy Reinman.2006.Analysis of the Linux Random Number Generator.In Proceedings of the 2006 IEEE Symposium on Security and Privacy(SP'06)。
更多習知為了應用程式而由作業系統產生亂數的作法，可參考美國專利申請公開號US Pub.2010/00023749或是US Pub.2011/0047545，在此以引用的方式併入本文。
本發明其中一方面在於提出一種新的使用亂數產生器的電腦系統與資料處理方法。特別地，本發明著眼係習知中作業系統基於軟體(software-based)的亂數產生器的亂度(entrophy)不夠的缺失，特別是對於許多嵌入式系統，由於其運作上缺少不可預期的外界因素(例如使用者的資料存取)作為亂度來源(entrophy source)，此問題更加明顯。
此外，許多常見的作業系統，例如Linux®系統，其程式碼或運作架構係公開給大眾，因此若採用作業系統基於軟體的亂數產生器，由於其亂數產生機制可被知悉，駭客將具有較高的機會成功地推估出作業系統的亂數產生器所能產出的亂數，因而造成安全上的漏洞。
對此，本發明另一方面即在於在作業系統亂數產生器之外，從另外的亂數產生器接收亂數，以提供使用者應用程式中的安全性作業所需。
根據本發明一實施例，電腦系統包含：●一作業系統；●一處理器，該處理器在該作業系統下執行一使用者應用程式，且該處理器與一第一亂數產生器連結；●其中因應該使用者應用程式中之安全性作業之亂數需求，該處理器從該第一亂數產生器接收亂數，並提供該第一亂數產生器所產生的亂數給該使用者應用程式以進行安全性作業●其中該第一亂數產生器不是該作業系統的亂數產生器。
根據本發明另一實施例，資料處理方法係用於一電腦系統，該電腦系統包含一作業系統與一處理器，該處理器與一第一亂數產生器連結，該方法包含：●該處理器從該第一亂數產生器接收亂數，其中該第一亂數產生器不是該作業系統的亂數產生器；以及 ●該處理器提供所接收的亂數給一使用者應用程式以進行安全性作業。
根據本發明另一實施例，資料處理方法係用於一電腦系統，該電腦系統包含一作業系統與一處理器，該處理器與一第一亂數產生器以及一第二亂數產生器連結，該方法包含：●該處理器選擇性地從該第一亂數產生器或從該第二亂數產生器接收亂數，其中至少該第一亂數產生器不是該作業系統的亂數產生器；●處理器係根據該參數之值選擇從該第一亂數產生器或從該第二亂數產生器接收亂數
本說明書中所提及的特色、優點、或類似表達方式並不表示，可以本發明實現的所有特色及優點應在本發明之任何單一的具體實施例內。而是應明白，有關特色及優點的表達方式是指結合具體實施例所述的特定特色、優點、或特性係包含在本發明的至少一具體實施例內。因此，本說明書中對於特色及優點、及類似表達方式的論述與相同具體實施例有關，但亦非必要。
參考以下說明及隨附申請專利範圍或利用如下文所提之本發明的實施方式，即可更加明瞭本發明的這些特色及優點。
本說明書中「一實施例」或類似表達方式的引用是指結合該具體實施例所述的特定特色、結構、或特性係包括在本 發明的至少一具體實施例中。因此，在本說明書中，「在一具體實施例中」及類似表達方式之用語的出現未必指相同的具體實施例。
熟此技藝者當知，本發明可實施為電腦系統、方法或作為電腦程式產品之電腦可讀媒體。因此，本發明可以實施為各種形式，例如完全的硬體實施例、完全的軟體實施例(包含韌體、常駐軟體、微程式碼等)，或者亦可實施為軟體與硬體的實施形式，在以下會被稱為「電路」、「模組」或「系統」。此外，本發明亦可以任何有形的媒體形式實施為電腦程式產品，其具有電腦可使用程式碼儲存於其上。
一個或更多個電腦可使用或可讀取媒體的組合都可以利用。舉例來說，電腦可使用或可讀取媒體可以是(但並不限於)電子的、磁的、光學的、電磁的、紅外線的或半導體的系統、裝置、設備或傳播媒體。更具體的電腦可讀取媒體實施例可以包括下列所示(非限定的例示)：由一個或多個連接線所組成的電氣連接、可攜式的電腦磁片、硬碟機、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除程式化唯讀記憶體(EPROM或快閃記憶體)、光纖、可攜式光碟片(CD-ROM)、光學儲存裝置、傳輸媒體(例如網際網路(Internet)或內部網路(intranet)之基礎連接)、或磁儲存裝置。需注意的是，電腦可使用或可讀取媒體更可以為紙張或任何可用於將程式列印於其上而使得該程式可以再度被電子化之適當媒體，例如藉由光學掃描該紙張或其他媒體，然後再編譯、解譯或其他合適的必要處理方式，然後可再度被儲存於電腦記憶體中。在本 文中，電腦可使用或可讀取媒體可以是任何用於保持、儲存、傳送、傳播或傳輸程式碼的媒體，以供與其相連接的指令執行系統、裝置或設備來處理。電腦可使用媒體可包括其中儲存有電腦可使用程式碼的傳播資料訊號，不論是以基頻(baseband)或是部分載波的型態。電腦可使用程式碼之傳輸可以使用任何適體的媒體，包括(但並不限於)無線、有線、光纖纜線、射頻(RF)等。
用於執行本發明操作的電腦程式碼可以使用一種或多種程式語言的組合來撰寫，包括物件導向程式語言(例如Java、SMRlltalk、C++或其他類似者)以及傳統程序程式語言(例如C程式語言或其他類似的程式語言)。
於以下本發明的相關敘述會參照依據本發明具體實施例之系統、裝置、方法及電腦程式產品之流程圖及/或方塊圖來進行說明。當可理解每一個流程圖及/或方塊圖中的每一個方塊，以及流程圖及/或方塊圖中方塊的任何組合，可以使用電腦程式指令來實施。這些電腦程式指令可供通用型電腦或特殊電腦的處理器或其他可程式化資料處理裝置所組成的機器來執行，而指令經由電腦或其他可程式化資料處理裝置處理以便實施流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
這些電腦程式指令亦可被儲存在電腦可讀取媒體上，以便指示電腦或其他可程式化資料處理裝置來進行特定的功能，而這些儲存在電腦可讀取媒體上的指令構成一製成品， 其內包括之指令可實施流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
電腦程式指令亦可被載入到電腦上或其他可程式化資料處理裝置，以便於電腦或其他可程式化裝置上進行一系統操作步驟，而於該電腦或其他可程式化裝置上執行該指令時產生電腦實施程序以達成流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
其次，請參照圖1至圖2，在圖式中顯示依據本發明各種實施例的系統、方法及電腦程式產品可實施的架構、功能及操作之流程圖及方塊圖。因此，流程圖或方塊圖中的每個方塊可表示一模組、區段、或部分的程式碼，其包含一個或多個可執行指令，以實施指定的邏輯功能。另當注意者，某些其他的實施例中，方塊所述的功能可以不依圖中所示之順序進行。舉例來說，兩個圖示相連接的方塊事實上亦可以皆執行，或依所牽涉到的功能在某些情況下亦可以依圖示相反的順序執行。此外亦需注意者，每個方塊圖及/或流程圖的方塊，以及方塊圖及/或流程圖中方塊之組合，可藉由基於特殊目的硬體的系統來實施，或者藉由特殊目的硬體與電腦指令的組合，來執行特定的功能或操作。
<系統架構>
圖1顯示一實施例中之電腦系統100之硬體架構。電腦系統100。電腦系統100的其他基本架構與元件可參見一般的個人電腦或伺服器，例如IBM公司的System X、Blade Center 或eServer伺服器。但須說明的是，電腦系統100亦可實施為嵌入式系統，例如網路裝置或是無線網路存取裝置(Access Point)，而缺少一般個人電腦所具備的硬碟、滑鼠、或鍵盤(未圖示)。
電腦系統100首先具有中央處理器102或是其他相當的處理電路，用以運行作業系統OS。關於作業系統OS的範例可參考Linux作業系統。對於各形式的電腦系統100，從嵌入式系統到大型伺服器，Linux作業系統皆有相對應的版本，對此應為熟此技藝者所習知，在此不予贅述。但應知本發明並不欲侷限於Linux作業系統。
此外，中央處理器102並在作業系統OS下執行使用者應用程式AP，此使用者應用程式AP可內建於作業系統OS，或是為使用者另行安裝於作業系統OS下的使用者應用程式。本發明並不欲侷限使用者應用程式AP所提供的功能，但使用者應用程式AP應具有亂數的需求以進行安全性作業，例如通訊所需的加密(cryptographic)程序或是身份識別(identification)。
特別地，中央處理器102連結亂數產生器RNG1。亂數產生器RNG1並非是作業系統OS的亂數產生器(例如LRNG)；較佳地，亂數產生器RNG1係硬體亂數產生器。在一範例中，硬體亂數產生器RNG1可為附隨於中央處理器102的硬體亂數產生器，也就是說硬體亂數產生器RNG1與中央處理器102係實現於同一個晶片上。在另一範例中，硬體亂數產生器RNG1與中央處理器102係實現於電腦系統100中的不同晶片 上，例如硬體亂數產生器RNG1可實現在硬體密碼加速器(例如一SSL Accelerator computer card)上，且不一定要與中央處理器102位於相同的主機板(未圖示)上，甚至硬體亂數產生器RNG1亦可設置於電腦系統100以外，而透過網路或是其他連接方式與中央處理器102連結。更多關於硬體亂數產生器的細節，可參考維基百科中相關的說明(http：//en.wikipedia.org/wiki/Hardware_random_number_generator)。
但須說明的是，亂數產生器RNG1並不一定要實施為硬體亂數產生器，在另一範例中，亂數產生器RNG1的實施方式可透過電腦系統100以外的電腦系統(未圖示)，只要此額外的電腦系統可提供亂數給電腦系統100中的中央處理器102，本發明並不限定此額外的電腦系統係透過硬體亂數產生器或是任何其他方式來產生亂數。在又一範例中，所產生或挑選出的亂數資料可提供給安裝在電腦系統100的其他虛擬機器應用程式(virtual machine application)(未圖示)，以進行後續所需的處理或使用。
另一方面，較佳地，中央處理器102更連結另一亂數產生器RNG2。前述可實施亂數產生器RNG1的方式亦可採用於實施亂數產生器RNG2，但與上述亂數產生器RNG1不同的是，亂數產生器RNG2可以是作業系統OS基於軟體的亂數產生器(例如LRNG)。另外要說明的是，除了亂數產生器RNG1與亂數產生器RNG2，中央處理器102可連結更多的亂數產生器(未圖示)，且更多的亂數產生器將有助於使用者應用程式 AP具有更好的安全性，更多細節將描述於後。
以下配合圖1所示之硬體架構以及圖2之流程圖說明本發明實施例之記憶體控制方法。
●步驟200：本步驟可視為初始設置，中央處理器102判斷與其連結亂數產生器的數目。在此實施例中，中央處理器102係連結有亂數產生器RNG1與亂數產生器RNG2，但本發明不限於此。
●步驟202：中央處理器102提供隨時間持續改變之參數，以作為後續選擇亂數產生器RNG1與亂數產生器RNG2之用。在一實施例中，此參數係為中央處理器102之Jiffies，每發生一次計時器中斷(timer interrupt)，Jiffies變數會被加1，更多關於Jiffies，可參考Klaus Wehrle,Frank Pählke,Hartmut Ritter,Daniel Müller,Marc Bechler所著The Linux® Networking Architecture：Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel,Chapter 2.7.：Timing in the Linux Kernel的說明。本實施例中使用Jiffies的優點在於除了其值隨時間持續改變，且其改變並不容易預測，因此具有較好的安全性，但本發明並不欲侷限於Jiffies。
●步驟204：當需要亂數以提供給使用者應用程式AP時，中央處理器102則取得當下Jiffies的值。
●步驟206：根據步驟204中所取得參數值，來判斷要從亂數產生器RNG1或是亂數產生器RNG2接收亂數。
舉例來說，可以設計為當Jiffies的值為單數則選擇亂數產生器RNG1，而當Jiffies的值為雙數則選擇亂數產生器RNG2，或反之亦可。
此外，若亂數產生器RNG1與亂數產生器RNG2產生亂數的效能不同，則亦可根據Jiffies的值來給予亂數產生器RNG1與亂數產生器RNG2不同的權重，舉例來說，當Jiffies的值為3的倍數時則選擇亂數產生器RNG1，反之則則選擇亂數產生器RNG2，因此選擇亂數產生器RNG2的機率會是選擇亂數產生器RNG1的兩倍。由此可見，使用Jiffies的值可供使用者進一步調整各亂數產生器的權重。需說明的是，本發明並不欲侷限從Jiffies的值來選擇亂數產生器RNG1、亂數產生器RNG2、或是其他更多亂數產生器(未圖示)的方法。又若步驟200中央處理器102僅連結到亂數產生器RNG1，則步驟206可略過。
●步驟208：在從亂數產生器RNG1或亂數產生器RNG2中收到亂數後，中央處理器102即可將所收到的亂數提供給使用者應用程式AP，然後可回到步驟204。
需說明的是，亂數產生器RNG1所產生的亂數，意義上不同於作業系統OS的亂數產生器運作時需從其他硬體(鍵盤或硬碟)所取得的位元(bits)，因此若是中央處理器102從亂數 產生器RNG1接收到亂數到在提供亂數給使用者應用程式AP前，則應不需要再使用到作業系統OS的亂數產生器(可實施為亂數產生器RNG2)對亂數產生器RNG1所產生的亂數進行額外的亂數的軟體處理。相似地，該處理器應不需要再對所接收的亂數進行軟體漂白(software whitening)處理，或是進一步雜湊或加密等。
關於亂數的軟體處理與軟體漂白，可參考文獻：Viega,J.Practical Random Number Generationin Software Proceedings of the 19t h AnnualComputer Security Applications Conference.December 2003.。
但在另一實施例中，若亂數產生器RNG1所提供的亂數尚不足以符合特定安全標準，例如FIPS-140標準，則中央處理器102可對亂數產生器RNG1所提供的亂數進行處理，以符合標準後，再提供給使用者應用程式AP。
在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。
100‧‧‧電腦系統
OS‧‧‧作業系統
AP‧‧‧使用者應用程式
102‧‧‧中央處理器
RNG1‧‧‧亂數產生器
RNG2‧‧‧亂數產生器
步驟(200)‧‧‧判斷亂數產生器的數目
步驟(202)‧‧‧提供隨時間持續改變之參數
步驟(204)‧‧‧取得當下參數的值
步驟(206)‧‧‧根據參數值，決定出一亂數產生器
步驟(208)‧‧‧從決定的亂數產生器接收亂數，提供給使用者應用程式
為了立即瞭解本發明的優點，請參考如附圖所示的特定具體實施例，詳細說明上文簡短敘述的本發明。在瞭解這些 圖示僅描繪本發明的典型具體實施例並因此不將其視為限制本發明範疇的情況下，參考附圖以額外的明確性及細節來說明本發明，圖式中：圖1一種依據本發明一具體實施例之電腦系統；圖2一種依據本發明一具體實施例之方法流程圖。
步驟(200)‧‧‧判斷亂數產生器的數目
步驟(202)‧‧‧提供隨時間持續改變之參數
步驟(204)‧‧‧取得當下參數的值
步驟(206)‧‧‧根據參數值，決定出一亂數產生器
步驟(208)‧‧‧從決定的亂數產生器接收亂數，提供給使用者應用程式

Claims (7)

  1. 一種電腦系統，包含：一作業系統；一處理器，該處理器在該作業系統下執行一使用者應用程式，且該處理器與一第一亂數產生器連結；其中因應該使用者應用程式中之安全性作業(security operations)之亂數需求，該處理器從該第一亂數產生器接收亂數，並提供該第一亂數產生器所產生的亂數給該使用者應用程式以進行安全性作業；其中該第一亂數產生器不是該作業系統的亂數產生器；其中該處理器更與一第二亂數產生器連結，以從該第二亂數產生器接收亂數，並根據該第一亂數產生器的亂數與該第二亂數產生器的亂數執行該應用程式；其中該第一亂數產生器與該第二亂數產生器皆為硬體亂數產生器。
  2. 如請求項1之電腦系統，其中接收亂數後到在提供亂數給該使用者應用程式前，該處理器對該所接收的亂數不進行軟體漂白(software whitening)處理。
  3. 如請求項1之電腦系統，其中該處理器更與該第二亂數產生器連結，而該處理器具有隨時間持續改變之一參數，該處理器係根據該參數之值以從該第一亂數產生器接收亂數而不是從該第二亂數產生器接收亂數。
  4. 如請求項1或3之電腦系統，其中該參數為該處理器之Jiffies。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之電腦系統，其中該電腦系統係一嵌入式系統。
  6. 一種資料處理方法，用於一電腦系統，該電腦系統包含一作業系統與一處理器，該處理器與一第一亂數產生器連結，該方法包含：(a)該處理器從該第一亂數產生器接收亂數，其中該第一亂數產生器不是該作業系統的亂數產生器；以及(b)該處理器提供步驟(a)所接收的亂數給一使用者應用程式以進行安全性作業；以及(c)該處理器從該第二亂數產生器接收亂數，其中該第二亂數產生器也不是該作業系統的亂數產生器；以及(d)該處理器提供步驟(c)所接收的亂數給該使用者應用程式以進行安全性作業；其中該第一亂數產生器與該第二亂數產生器皆為硬體亂數產生器。
  7. 如請求項6的方法，其中該處理器具有隨時間持續改變之一參數，而步驟(a)更包含：處理器係根據該參數之值選擇從該第一亂數產生器或從該第二亂數產生器接收亂數。
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