專利名稱：高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。特別地，涉及一種用于生成密碼算法的密鑰、銀行客戶的初始密碼和自動(dòng)寄存機(jī)的密碼的防飽和的高質(zhì)量真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。
背景技術(shù)：
隨機(jī)數(shù)分為偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)兩種。偽隨機(jī)數(shù)是有一定規(guī)律可循的，周期長(zhǎng)度為有限長(zhǎng)的隨機(jī)數(shù)，因此偽隨機(jī)數(shù)是可預(yù)測(cè)的。真隨機(jī)數(shù)一般是由模擬電路構(gòu)成的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，由于在電路中引入了噪聲，真隨機(jī)數(shù)沒有規(guī)律可循，是完全不可預(yù)測(cè)的。
由于現(xiàn)有大部分的加密算法是公開的，信息安全的保證就依賴于對(duì)密鑰的保護(hù)，而產(chǎn)生密鑰一般都需要用到隨機(jī)數(shù)。于是，用于產(chǎn)生密鑰的隨機(jī)數(shù)就成了保證信息安全的關(guān)鍵，而只有完全不可預(yù)測(cè)的真隨機(jī)數(shù)才能真正保證信息的安全。
國內(nèi)已開發(fā)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，有的是用數(shù)字電路設(shè)計(jì)的偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器；而用模擬電路設(shè)計(jì)的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器往往速度比較慢，而且產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)質(zhì)量也不好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，包括用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊；所述的高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，還包括用于進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，起到混洗功能的作用的數(shù)據(jù)混洗模塊；用于判斷隨機(jī)數(shù)的優(yōu)劣的時(shí)段熵檢測(cè)模塊；用于檢測(cè)輸出的隨機(jī)序列是否為弱密鑰的弱密鑰檢測(cè)模塊。
所述的數(shù)據(jù)混洗模塊添加在隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊之后，用來進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，起到混洗功能的作用。
時(shí)段熵檢測(cè)模塊用由以色列人Lempel和Ziv提出的LZ算法來判斷隨機(jī)數(shù)的優(yōu)劣。
弱密鑰檢測(cè)模塊用來檢測(cè)輸出的隨機(jī)序列是否為弱密鑰，檢查密鑰中的0串或1串的長(zhǎng)度，給出指示值result。
本發(fā)明具有以下技術(shù)效果1.真隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量非常高對(duì)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行混洗，增加其隨機(jī)性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)段熵測(cè)試和弱密鑰算法測(cè)試，保證其隨機(jī)性；2.真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生速度快。


圖1是高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)框圖；圖2是真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的工作流程圖；圖3是時(shí)段熵檢測(cè)模塊的工作流程圖；圖4是數(shù)據(jù)混洗模塊的工作原理圖；圖5是數(shù)據(jù)混洗模塊的工作流程圖；圖6是弱密鑰檢測(cè)模塊工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
如圖1所示，一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器架構(gòu)，包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊，數(shù)據(jù)混洗模塊，時(shí)段熵監(jiān)測(cè)模塊和弱密鑰監(jiān)測(cè)模塊。其中數(shù)據(jù)混洗模塊添加在隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊之后，用來進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，起到混洗功能的作用。時(shí)段熵檢測(cè)模塊，采用由以色列人Lempel和Ziv提出的LZ算法來判斷隨機(jī)數(shù)的優(yōu)劣。弱密鑰檢測(cè)模塊用來檢測(cè)輸出的隨機(jī)序列是否為弱密鑰，檢查密鑰中的0串或1串的長(zhǎng)度，給出指示值result。
如圖2所示，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器重置后，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊開始工作，其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列由時(shí)段熵模塊進(jìn)行隨機(jī)性檢測(cè)，給出檢測(cè)值，同時(shí)，該隨機(jī)數(shù)序列由數(shù)據(jù)混洗模塊進(jìn)行混洗處理，進(jìn)一步增加隨機(jī)性，混洗后的隨機(jī)數(shù)序列由弱密鑰模塊進(jìn)行檢測(cè)，給出檢測(cè)值。
如圖3所示，時(shí)段熵檢測(cè)模塊工作流程初始化過程中地址指針清零，存儲(chǔ)器全部置零。非確定性判別電路從并串轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)，并在該電路內(nèi)部計(jì)算二叉樹分支地址，判斷該分支地址是否為空如果分之地址不為空地址，則判斷輸入的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度是否達(dá)到65536比特如果沒有達(dá)到65536比特，則將上述分支地址作為當(dāng)前地址，繼續(xù)讀入1比特?cái)?shù)據(jù)；如果達(dá)到了65536比特的數(shù)據(jù)，則輸出判別結(jié)果；如果上述分支地址為空，則在存儲(chǔ)器在中把該分支地址標(biāo)記非空，將計(jì)數(shù)器加1，判斷輸入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否達(dá)到了65536比特如果達(dá)到了65536比特長(zhǎng)度，則輸出判別結(jié)果；如果沒有達(dá)到65536比特長(zhǎng)，則將地址指針清零，繼續(xù)讀入下一比特的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷。
如圖4所示，數(shù)據(jù)混洗模塊用于進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，起到混洗功能的作用。其工作過程使能信號(hào)有效時(shí)，兩個(gè)1bit位寬數(shù)據(jù)輸入，每個(gè)時(shí)鐘周期輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，輸入1端口輸入的數(shù)據(jù)放在初始移位寄存器init32中，下一個(gè)input1數(shù)據(jù)進(jìn)來后，前一個(gè)數(shù)據(jù)向左移，存入初始移位寄存器init33中，以次類推，一直存入32個(gè)數(shù)據(jù)(由計(jì)數(shù)器counter控制，沒輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，counter的值增加1)，這樣第一個(gè)數(shù)據(jù)存在初始移位寄存器init63中，最后一個(gè)數(shù)據(jù)存在初始移位寄存器init32中。Input2輸入的數(shù)據(jù)放在初始移位寄存器的init0中，下一個(gè)input1數(shù)據(jù)進(jìn)來后，前一個(gè)數(shù)據(jù)向左移，存入初始移位寄存器init31中，以次類推，一直存入32個(gè)數(shù)據(jù)，這樣第一個(gè)數(shù)據(jù)存在初始移位寄存器init63中，最后一個(gè)數(shù)據(jù)存在初始移位寄存器init0中。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值從0遞增到31時(shí)，將初始移位寄存器init中得值賦給fsr寄存器賦值，賦值的規(guī)則是fsr[12764]＝~init[630]，fsr[630]＝init[630]。128位移位寄存器被賦值后開始工作，每個(gè)時(shí)鐘周期右移一位。移出的值經(jīng)過一個(gè)非線性布爾邏輯函數(shù)f到輸出端output。
每個(gè)時(shí)鐘周期取fsr寄存器的第111、61、11位進(jìn)行一次布爾運(yùn)算；取fsr寄存器的127、126、121、0位進(jìn)行異或運(yùn)算；將上述兩個(gè)值與輸出output再次進(jìn)行異或運(yùn)算，所得結(jié)果存入fsr寄存器的第127位。完成fsr的一次右移過程。
如圖5所示，數(shù)據(jù)混洗模塊的工作流程圖，關(guān)鍵就是兩組移位寄存器的移位過程，首先64位初始寄存器賦值給128位反饋移位寄存器，由反饋移位寄存器將輸出信號(hào)反饋到輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的置亂功能。
如圖6所示，弱密鑰模塊就是檢查經(jīng)過數(shù)據(jù)混洗模塊處理后的隨即序列是否為弱密鑰。其工作流程具體如下弱密鑰檢測(cè)模塊復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，初始化計(jì)數(shù)器，開始工作。①初始化過程中，“當(dāng)前游程長(zhǎng)度”計(jì)數(shù)器、“最大游程長(zhǎng)度”計(jì)數(shù)器被清零。讀入一位數(shù)據(jù)存入“當(dāng)前位寄存器”；②開始工作，讀入一位數(shù)據(jù)存入“下一位寄存器”。然后判斷“下一位”和當(dāng)前位是否相等若相等，“當(dāng)前位寄存器”加1，將“下一位”賦予“當(dāng)前位”，接著比較當(dāng)前游程和最大游程的大小，若當(dāng)前游程大于最大游程，則將當(dāng)前游程長(zhǎng)度賦予最大游程長(zhǎng)度；如果是第一個(gè)游程，則將當(dāng)前游程長(zhǎng)度賦予首游程長(zhǎng)度寄存器，保存首游程類別(1游程或0游程)；③判斷是否要結(jié)束檢查如果否，則讀入一位數(shù)據(jù)存入“下一位”，并重復(fù)②。如果是要結(jié)束檢查，則將當(dāng)前游程和首游程比較，如果是同類游程(都是1游程或都是0游程)，則判斷“首游程長(zhǎng)度+當(dāng)前游程長(zhǎng)度”是否大于“最大游程長(zhǎng)度”，如果是，則“首游程長(zhǎng)度+當(dāng)前游程長(zhǎng)度”賦予“最大游程長(zhǎng)度”。然后比較最大游程長(zhǎng)度值和理論上的游程長(zhǎng)度門限值(根據(jù)數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度計(jì)算得到)大小并輸出結(jié)果。
下面舉例說明真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的工作流程首先由隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生隨即序列，如0100，1100，0101，1011，1110，0000，1111，1011，1001，0110，0111，1100，0000，1110，0111，1001，1，1101，0001。
序列經(jīng)過混洗模塊增加其隨機(jī)性，取隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊的前64bit，偶數(shù)位作為高32位，奇數(shù)位作為低32位，得到序列1010，1101，1000，1101，0110，1110，0010，1101，0010，0011，1100，1111，1001，0110，0011，0110。
將這64bit取反，得到序列0101，0010，0111，0010，1001，0001，1101，0010，1101，1100，0011，0000，0110，1001，1100，1001。
將原來的64bit和取反后的64bit合并作為移位寄存器的初始值，取反后的64bit作為高64位，原來的64bit作為低64位，共128位，得到序列0101，0010，0111，0010，1001，0001，1101，0010，1101，1100，0011，0000，0110，1001，1100，1001，1010，1101，1000，1101，0110，1110，0010，1101，0010，0011，1100，1111，1001，0110，0011，0110。
總輸入1101，……第1個(gè)時(shí)鐘輸入11。
128bit的一位寄存器的數(shù)據(jù)變?yōu)?，0101，0010，0111，0010，1001，0001，1101，0010，1101，1100，0011，0000，0110，1001，1100，1001，1010，1101，1000，1101，0110，1110，0010，1101，0010，0011，1100，1111，1001，0110，0011，011。
輸出0。
第2個(gè)時(shí)鐘，輸入01。
128bit的一位寄存器的數(shù)據(jù)變?yōu)?，1，0101，0010，0111，0010，1001，0001，1101，0010，1101，1100，0011，0000，0110，1001，1100，1001，1010，1101，1000，1101，0110，1110，0010，1101，0010，0011，1100，1111，1001，0110，0011，01。輸出0。
通過時(shí)段熵檢測(cè)模塊判斷隨機(jī)數(shù)的優(yōu)劣，時(shí)段熵模塊時(shí)鐘頻率是其它模塊的時(shí)鐘頻率的2倍，保證隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊的所有輸出都能被弱密鑰檢測(cè)模塊及時(shí)處理，該模塊輸入為0100，1100，0101，1011，1110，0000，1111，1011，1001，0110，0111，1100，0000，1110，0111，1001，1，1101，0001。
輸入0 地址0置為非空輸入1 地址1置為非空輸入0 地址0非空輸入0 地址00置為非空輸入1 地址1非空輸入1 地址11置為非空輸入0 地址0非空輸入0 地址00非空輸入0 地址000置為非空輸入1 地址1非空……直到輸入滿65536bit為止，計(jì)算置為非空的地址空間的個(gè)數(shù)為S。如果S大于預(yù)先設(shè)定的閾值N，則表示測(cè)試結(jié)果好；如果S不大于N，則表示測(cè)試結(jié)果不好。
弱密鑰檢測(cè)模塊檢測(cè)輸出的隨機(jī)序列是否為弱密鑰。假定混洗模塊的輸出為0011，1010，1100，1000，……預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)的數(shù)據(jù)量為M＝16bit，則允許的最長(zhǎng)0或1游程為L(zhǎng)imit＝2+log2M＝6。
輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程1輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程2最長(zhǎng)游程2輸入1當(dāng)前位1當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程2輸入1當(dāng)前位1當(dāng)前游程2最長(zhǎng)游程2輸入1當(dāng)前位1當(dāng)前游程3最長(zhǎng)游程3輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程3
輸入1當(dāng)前位1當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程3輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程3輸入1當(dāng)前位1當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程3輸入1當(dāng)前位1當(dāng)前游程2最長(zhǎng)游程3輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程3輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程2最長(zhǎng)游程3輸入1當(dāng)前位1當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程3輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程1最長(zhǎng)游程3輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程2最長(zhǎng)游程3輸入0當(dāng)前位0當(dāng)前游程3最長(zhǎng)游程3首尾檢查第1位與第16位相同，因此首尾相接，0的游程為5，大于已知的最長(zhǎng)游程3，因此，所測(cè)定的這16bit數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)游程為5。最長(zhǎng)游程5＜Limit＝6，這表示測(cè)試結(jié)果好。
上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，包括用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊；其特征在于所述的高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，還包括用于進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，起到混洗功能的作用的數(shù)據(jù)混洗模塊；用于判斷隨機(jī)數(shù)的優(yōu)劣的時(shí)段熵檢測(cè)模塊；用于檢測(cè)輸出的隨機(jī)序列是否為弱密鑰的弱密鑰檢測(cè)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于所述的數(shù)據(jù)混洗模塊添加在隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊之后，用來進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，起到混洗功能的作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于所述的時(shí)段熵檢測(cè)模塊用由以色列人Lempel和Ziv提出的LZ算法來判斷隨機(jī)數(shù)的優(yōu)劣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于所述的弱密鑰檢測(cè)模塊用來檢測(cè)輸出的隨機(jī)序列是否為弱密鑰，檢查密鑰中的0串或1串的長(zhǎng)度，給出指示值result。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。它包括用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊；所述的高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，還包括用于進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，起到混洗功能的作用的數(shù)據(jù)混洗模塊；用于判斷隨機(jī)數(shù)的優(yōu)劣的時(shí)段熵檢測(cè)模塊；用于檢測(cè)輸出的隨機(jī)序列是否為弱密鑰的弱密鑰檢測(cè)模塊。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果1.真隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量非常高對(duì)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行混洗，增加其隨機(jī)性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)段熵測(cè)試和弱密鑰算法測(cè)試，保證其隨機(jī)性；2.真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生速度快。
文檔編號(hào)G06F7/58GK1770094SQ20051006113
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日
發(fā)明者嚴(yán)曉浪, 沈海斌 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)