專利名稱：產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)，例如，用在加密和驗(yàn)證系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
多數(shù)加密和驗(yàn)證系統(tǒng)要求調(diào)用隨機(jī)數(shù)，例如，用于產(chǎn)生驗(yàn)證期間的復(fù)雜問(wèn)題。這種例子是DES和RSA。在提供典型的安全等級(jí)系統(tǒng)中，要求的隨機(jī)數(shù)位長(zhǎng)度約在50至150的范圍內(nèi)。形成這類真隨機(jī)數(shù)的一種方法是數(shù)字化噪聲模擬值，例如，電壓電平，并利用數(shù)字化結(jié)果的最低有效位形成隨機(jī)數(shù)。然而，這種方法需要一些時(shí)間收集足夠多的位以形成典型加密系統(tǒng)所要求的這種長(zhǎng)度隨機(jī)數(shù)。所以，在大多數(shù)的情況下，取而代之的是利用產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的算法。這種算法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不是真隨機(jī)數(shù)據(jù)，而是確定性數(shù)據(jù)。因此，這種方法有這樣一個(gè)缺點(diǎn)，若算法及其籽值是已知的，則可以預(yù)測(cè)偽隨機(jī)數(shù)，使第三方能夠解密或破譯驗(yàn)證方案。
所以，需要一種能夠快速產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法，該隨機(jī)數(shù)有這樣的性質(zhì)，不能根據(jù)以前的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)產(chǎn)生的下一個(gè)數(shù)據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的方法，該方法包括重復(fù)地完成一系列操作，這一系列操作包括處理籽值以產(chǎn)生結(jié)果值，該結(jié)果值用作隨后一系列操作中的籽值，并產(chǎn)生輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)；其中這一系列操作還包括確定是否有預(yù)定數(shù)量新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)；若有這種數(shù)據(jù)，則根據(jù)新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)至少修改產(chǎn)生的結(jié)果值。
按照本發(fā)明的第二方面，提供一種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的裝置，該裝置包括真隨機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源；存儲(chǔ)籽值的存儲(chǔ)器；和處理裝置，用于進(jìn)行一系列操作；這一系列操作包括處理籽值以產(chǎn)生存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的結(jié)果值，用作隨后進(jìn)行一系列操作中的籽值并產(chǎn)生輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)；其中這一系列操作還包括確定是否有預(yù)定數(shù)量新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)；若有這種數(shù)據(jù)，則根據(jù)新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)至少修改產(chǎn)生的結(jié)果值。
最好是，所述修改步驟包括在產(chǎn)生結(jié)果值之前修改籽值。或者，修改步驟可以包括修改另一個(gè)籽值，或修改結(jié)果值。所述修改步驟最好包括對(duì)籽值中至少一些位與新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)位進(jìn)行異或運(yùn)算或加法運(yùn)算。籽值可以是單個(gè)變量的修改或者從一個(gè)變量到另一個(gè)變量的變換。
輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)最好是通過(guò)處理結(jié)果值產(chǎn)生的。
通過(guò)至少部分是在隨機(jī)數(shù)發(fā)生器之外的隨機(jī)過(guò)程測(cè)量，合適地產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)據(jù)，例如，通過(guò)比較兩個(gè)振蕩器的速率。
最好是，僅僅一個(gè)振蕩器是晶控振蕩器。另一個(gè)振蕩器是可以安裝在集成電路上。最好是，與另一個(gè)振蕩器比較，一個(gè)振蕩器是更準(zhǔn)確和/或更穩(wěn)定和/或更不易受環(huán)境變化的影響。在另一個(gè)振蕩器的預(yù)定振蕩次數(shù)內(nèi)，通過(guò)計(jì)數(shù)一個(gè)振蕩器的振蕩次數(shù)，可以產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)據(jù)。最好是，所述另一個(gè)振蕩器是兩個(gè)振蕩器中較慢的振蕩器。
真隨機(jī)數(shù)據(jù)可以是所述振蕩次數(shù)最低有效位中的1位或多位。
參照附圖，借助于例子描述本發(fā)明，其中圖1是包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的通信裝置方框圖；和圖2說(shuō)明用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的算法步驟。
具體實(shí)施例方式
圖1的裝置包括偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器1。圖示的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包含處理器2，該處理器包括通用處理硬件3；非易失性程序存儲(chǔ)器4，用于存儲(chǔ)處理硬件3的程序代碼；和易失性臨時(shí)存儲(chǔ)存儲(chǔ)器5，用于處理硬件進(jìn)行處理操作。然而，可以利用包括硬線處理設(shè)備和混合硬件/軟件實(shí)施例的任何合適數(shù)據(jù)處理裝置。偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器有輸入端6，借助于輸入端可以在輸出端7請(qǐng)求輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以接入真隨機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源8。在該圖的實(shí)施例中，數(shù)據(jù)源8是在隨機(jī)數(shù)發(fā)生器之外，而且在通信裝置中有另一個(gè)功能。然而，數(shù)據(jù)源可以是在隨機(jī)數(shù)發(fā)生器之內(nèi)和/或可以具有形成隨機(jī)數(shù)據(jù)的專用功能。
數(shù)據(jù)源8最好包括存儲(chǔ)真隨機(jī)位的存儲(chǔ)器10，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以利用這些得到的真隨機(jī)位。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以通過(guò)鏈路11接入該存儲(chǔ)器，用于確定有多少個(gè)真隨機(jī)位，讀出得到的真隨機(jī)位，和一旦利用其中的真隨機(jī)位之后，復(fù)位該存儲(chǔ)器。
當(dāng)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器1在輸入端6接收到隨機(jī)數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí)，處理裝置2進(jìn)行以下描述的一系列處理步驟以產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。然后，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在輸出端7輸出該隨機(jī)數(shù)。當(dāng)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器被調(diào)用時(shí)，處理裝置安排成接入臨時(shí)存儲(chǔ)器5中存儲(chǔ)的籽值，完成把籽值作為輸入的算法，并基于該籽值產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)和另一個(gè)籽值，存儲(chǔ)這個(gè)籽值用于該算法的下一次迭代。作為該算法的一部分，處理裝置確定是否能從數(shù)據(jù)源8得到新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)，這個(gè)新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)在算法前一次迭代中還沒(méi)有使用過(guò)。若可以有這種數(shù)據(jù)，則根據(jù)新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)，處理裝置修改本次迭代中原先采用的籽值，并利用修改的籽值作為本次迭代的基礎(chǔ)；否則，利用原先采用的籽值作為本次迭代的基礎(chǔ)。按照這種方法，在得到真隨機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，利用這個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)使形成的隨機(jī)數(shù)據(jù)更隨機(jī)化，而不必等到真隨機(jī)數(shù)據(jù)可用時(shí)形成數(shù)據(jù)。這種方法有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，在輸出端7收集到足夠數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)下一個(gè)輸出數(shù)據(jù)時(shí)，籽值按照不可預(yù)測(cè)的方法發(fā)生了變化。
現(xiàn)在描述可以利用的一個(gè)算法例子。
在執(zhí)行該算法前，必須確定若干個(gè)常數(shù)值。在設(shè)計(jì)或構(gòu)造隨機(jī)數(shù)發(fā)生器時(shí)，即，在系統(tǒng)建立時(shí)，可以合適地確定這些常數(shù)值。這些常數(shù)值如以下所示N代表約為800的整數(shù)。
L是可以從數(shù)據(jù)源8得到的若干個(gè)真隨機(jī)位。
K1和K2是小的費(fèi)馬素?cái)?shù)，例如，3，17，257和65537(K1和K2可以相等)。
p1和p2是長(zhǎng)度為N/2的不同素?cái)?shù)。若“強(qiáng)-S-素?cái)?shù)”定義為素?cái)?shù)p，其中S是非負(fù)整數(shù)，則p-1的強(qiáng)-(S-1)-素?cái)?shù)因子至少是p的位長(zhǎng)度的3/4，強(qiáng)-0-素?cái)?shù)就是素?cái)?shù)；選取p1和p2為強(qiáng)-2-素?cái)?shù)。
M是p1與p2的乘積。
一旦計(jì)算了M，p1和p2最好被不可恢復(fù)地丟棄或高度保密地存儲(chǔ)。
在進(jìn)行該算法時(shí)調(diào)用的這些常數(shù)值L，K1，K2和M最好存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器4中。
在算法的每次迭代中，籽值用作該算法的輸入。算法修改這個(gè)籽值，修改的籽值作為該算法下一次迭代的籽值。用作下一次迭代的籽值存儲(chǔ)在臨時(shí)存儲(chǔ)器5的特定位置9。算法需要的初始籽值是第一次迭代的輸入，調(diào)用初始籽值產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)。形成初始籽值的一種方法是，從數(shù)據(jù)源8中收集一系列隨機(jī)位，并把這些隨機(jī)位存儲(chǔ)在特定位置9中相繼位的位置。形成初始籽值的另一種方法是，在非易失性存儲(chǔ)器4中存儲(chǔ)另一個(gè)常數(shù)值；裝入該常數(shù)值到特定的位置9；然后，完成該算法的多次迭代，在調(diào)用相繼迭代時(shí)，利用數(shù)據(jù)源8中的隨機(jī)數(shù)據(jù)修改籽值。當(dāng)啟動(dòng)通信裝置時(shí)(例如，在接通電源時(shí))，可以采用這些方法中任何一種方法，因此，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器做好使用的準(zhǔn)備，它保持一個(gè)真隨機(jī)籽值。
圖2表示該算法的流程圖。
在調(diào)用該算法以產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)時(shí)，得到特定位置9中存儲(chǔ)的籽值(圖2中步驟30)。從特定位置得到的籽值作為變量x進(jìn)行存儲(chǔ)。然后，檢查存儲(chǔ)器10以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)源8中是否有L個(gè)真隨機(jī)位(步驟31)。
若有L個(gè)真隨機(jī)位，則把這些隨機(jī)位裝入到變量z中并使存儲(chǔ)器11復(fù)位。然后，根據(jù)這些真隨機(jī)位，執(zhí)行該算法的步驟32以修改變量x。變量x的修改是設(shè)置它等于(xz)mod M其中符號(hào)代表x的L個(gè)預(yù)定位中每1位與z的對(duì)應(yīng)位進(jìn)行異或運(yùn)算。異或運(yùn)算的結(jié)果簡(jiǎn)約成模M，為了使它保持在該算法的算術(shù)界限內(nèi)。在系統(tǒng)建立時(shí)可以規(guī)定x中哪些位與z中哪些位進(jìn)行異或運(yùn)算。
若沒(méi)有真隨機(jī)位，則不修改x。
然后，產(chǎn)生從隨機(jī)數(shù)發(fā)生器輸出的隨機(jī)數(shù)據(jù)，并作為變量v進(jìn)行存儲(chǔ)。變量v設(shè)置成等于xK1模M(步驟35)。v的值作為在輸出端7可以得到的隨機(jī)位。
然后，在變量w中形成該算法下一次迭代的籽值，變量w設(shè)置成等于(x+1)K2模M(步驟33)。
最后，w的值存儲(chǔ)到特定位置9用于代替以前的籽值，并允許它作為下一次迭代中x的初始值。
取代籽值與真隨機(jī)位的的異或運(yùn)算，也可以利用其他的方法。例如，在適當(dāng)?shù)乃惴ㄖ?，可以根?jù)隨機(jī)數(shù)據(jù)修改輸入籽值之外的另一個(gè)籽值。具體地說(shuō)，在以上的算法中，可以修改輸出籽值?？梢岳卯惢蜻\(yùn)算以外的其他運(yùn)算，例如，算術(shù)位移或加法運(yùn)算。
可以有多種產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)據(jù)的方法。這些例子包括使裝置中模擬傳感器的噪聲模擬值數(shù)字化，例如，溫度傳感器14中的電壓電平；或用戶在鍵盤16上各次按鍵之間的時(shí)間間隔。一種優(yōu)選的方法是利用一對(duì)振蕩器12，13，這兩個(gè)振蕩器有不同的短期準(zhǔn)確度水平，即，抖動(dòng)’，且最好有基本不同的速率。
圖1的裝置是無(wú)線電通信裝置。振蕩器12是相對(duì)快速，相對(duì)準(zhǔn)確并有相對(duì)低抖動(dòng)的振蕩器。振蕩器12用于射頻調(diào)制傳輸信號(hào)，它的合適頻率為幾十兆赫芝，例如，GSM基系統(tǒng)的13或26MHz。振蕩器13是較慢速，較不準(zhǔn)確并有較大抖動(dòng)的振蕩器，該振蕩器可用于快速振蕩器關(guān)斷時(shí)各個(gè)周期之間的間隔定時(shí)。振蕩器13的頻率可以是幾千赫芝。高準(zhǔn)確度振蕩器12適合于來(lái)自晶體的定時(shí)，而低準(zhǔn)確度振蕩器13是基于簡(jiǎn)單的電阻和定容器電路，該電路可以是與處理器2相同的集成電路。因此，振蕩器12與振蕩器13的頻率之間很可能發(fā)生漂移，例如，由于溫度的變化和由于電阻器中熱噪聲的隨機(jī)起狀。
為了產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器16計(jì)數(shù)快速振蕩器在預(yù)定次數(shù)慢速振蕩器周期內(nèi)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，這個(gè)預(yù)定次數(shù)最好是很小的數(shù)。所以，利用這些最低有效位中的1位或多位作為隨機(jī)數(shù)據(jù)。例如，在快速振蕩器的頻率為16MHz和慢速振蕩器的頻率為1kHz時(shí)，在典型的條件下，可以利用這個(gè)計(jì)數(shù)的最低1位或2位作為隨機(jī)數(shù)據(jù)。這個(gè)計(jì)數(shù)是周期性進(jìn)行的，其結(jié)果位存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器10中。因此，在完成計(jì)數(shù)之后，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以有新的數(shù)據(jù)。在隨機(jī)數(shù)發(fā)生器上次調(diào)用之后還沒(méi)有完成計(jì)數(shù)，則不能得到新的數(shù)據(jù)，在此情況下，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仍然可以提供輸出數(shù)據(jù)，因?yàn)樗梢源_定是否有新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)。
處理器可以是形成隨機(jī)數(shù)的專用裝置，或可以完成其他的功能。在后者的情況下，處理器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)可以在該處理器隨后實(shí)施的其他操作中進(jìn)行處理。
本發(fā)明可以包括此處暗示或明示公開(kāi)的任何特征或這些特征的組合，或任何的推廣，不管它是否與本申請(qǐng)的發(fā)明有關(guān)。鑒于以上的描述，顯而易見(jiàn)，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以作各種改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的方法，該方法包括重復(fù)地完成一系列操作；這一系列操作包括處理籽值以產(chǎn)生結(jié)果值，該結(jié)果值用作隨后一系列操作中的籽值，并產(chǎn)生輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)；其中這一系列操作還包括確定是否有預(yù)定數(shù)量新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)；和若有這種數(shù)據(jù)，則根據(jù)新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)至少修改產(chǎn)生的結(jié)果值。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述修改步驟包括在產(chǎn)生結(jié)果值之前修改籽值。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中所述修改步驟包括對(duì)籽值中至少一些位與新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)位進(jìn)行異或運(yùn)算。
4.按照以上權(quán)利要求中任一個(gè)的方法，其中輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)是通過(guò)處理結(jié)果值產(chǎn)生的。
5.按照以上權(quán)利要求中任一個(gè)的方法，其中真隨機(jī)數(shù)據(jù)是通過(guò)比較兩個(gè)振蕩器的速率產(chǎn)生的。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中僅僅一個(gè)振蕩器是晶控振蕩器。
7.按照權(quán)利要求5或6的方法，其中在另一個(gè)振蕩器的預(yù)定振蕩次數(shù)內(nèi)，通過(guò)計(jì)數(shù)一個(gè)振蕩器的振蕩次數(shù)，產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)據(jù)。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其中真隨機(jī)數(shù)據(jù)是所述振蕩次數(shù)最低有效位中的1位或多位。
9.按照權(quán)利要求7或8的方法，包括根據(jù)所述振蕩次數(shù)最高有效位中的至少1位，調(diào)整一個(gè)振蕩器的速率。
10.按照權(quán)利要求5至9中任一個(gè)的方法，其中一個(gè)振蕩器的速率至少是另一個(gè)振蕩器速率的100倍。
11.按照權(quán)利要求5至10中任一個(gè)的方法，其中一個(gè)振蕩器產(chǎn)生用于射頻調(diào)制或解調(diào)通信數(shù)據(jù)的信號(hào)。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其中另一個(gè)振蕩器產(chǎn)生用于空閑通信周期定時(shí)的信號(hào)。
13.一種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的裝置，該裝置包括真隨機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源；存儲(chǔ)籽值的存儲(chǔ)器；和處理裝置，用于進(jìn)行一系列操作，這一系列操作包括處理籽值以產(chǎn)生存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的結(jié)果值，用作隨后一系列操作中的籽值，并產(chǎn)生輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)；其中這一系列操作還包括確定是否有預(yù)定數(shù)量新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)；和若有這種數(shù)據(jù)，則根據(jù)新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)，至少修改產(chǎn)生的結(jié)果值。
14.一種包括權(quán)利要求13所述的裝置的通信裝置。
15.一種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的方法，該方法基本上是參照附圖所描述的方法。
16.一種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的裝置，該裝置基本上是參照附圖所描述的裝置。
全文摘要
一種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的方法，該方法包括重復(fù)地完成一系列操作；這一系列操作包括處理籽值以產(chǎn)生結(jié)果值，該結(jié)果值用作隨后一系列操作中的籽值，并產(chǎn)生輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)；其中這一系列操作還包括確定是否有預(yù)定數(shù)量新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)，和若有這種數(shù)據(jù)，則根據(jù)新的真隨機(jī)數(shù)據(jù)至少修改產(chǎn)生的結(jié)果值。
文檔編號(hào)G06F7/58GK1488094SQ02803935
公開(kāi)日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2002年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月5日
發(fā)明者詹姆斯·迪格比·亞萊特·考理爾, 詹姆斯 迪格比 亞萊特 考理爾 申請(qǐng)人:劍橋硅無(wú)線有限公司