硬件隨機數(shù)生成器具有隨機屬性的物理現(xiàn)象

硬件隨機數(shù)生成器量子隨機屬性

實際量子力學(xué)物理隨機性有兩個基本來源：原子或亞原子級的量子力學(xué)和thermal noise（其中一些是源自量子力學(xué)）。量子力學(xué)預(yù)測某些物理現(xiàn)象，例如原子的核衰變，基本上是隨機的，原則上不能預(yù)測（關(guān)于量子不可預(yù)測性的經(jīng)驗驗證的討論，參見貝爾測試實驗）。并且，因為我們生活在絕對零度以上的溫度，所以每個系統(tǒng)的狀態(tài)都有一些隨機變化;例如，構(gòu)成空氣的氣體分子不斷地以隨機方式相互反彈（參見統(tǒng)計力學(xué)）。這種隨機性也是一種量子現(xiàn)象。

由于量子力學(xué)事件的結(jié)果原則上無法預(yù)測，因此它們是隨機數(shù)生成的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。用于隨機數(shù)生成的一些量子現(xiàn)象包括：

• Shot noise，電子電路中的量子力學(xué)噪聲源。一個簡單的例子是照在光電二極管上的燈。由于不確定性原理，到達(dá)的光子在電路中產(chǎn)生噪聲。收集使用噪聲會帶來一些問題，但這是一個特別簡單的隨機噪聲源。然而，在整個感興趣的帶寬內(nèi)，散粒噪聲能量并不總是很好地分布。橫向磁場中的氣體二極管和閘流管電子管可以產(chǎn)生大量的噪聲能量（10伏或更高的高阻抗負(fù)載）但具有非常高的能量分布，需要仔細(xì)過濾才能在廣譜范圍內(nèi)實現(xiàn)平坦度。

• 核衰變輻射源（例如，來自某些商業(yè)煙霧探測器），由連接到PC的蓋革計數(shù)器檢測。

• 光子穿過半透明鏡子。檢測互斥事件（反射/傳輸）并分別與“0”或“1”位值相關(guān)聯(lián)。

• 放大在反向偏置晶體管的基極上產(chǎn)生的信號。發(fā)射器被電子飽和，有時它們將穿過帶隙并通過基座離開。然后通過幾個晶體管放大該信號，并將結(jié)果饋入施密特觸發(fā)器。

• 自發(fā)參量下變頻導(dǎo)致簡并光學(xué)參量振蕩器中的二進(jìn)制相位狀態(tài)選擇。

• 通過零差檢測測量真空能量的波動。

硬件隨機數(shù)生成器經(jīng)典隨機屬性

Thermal現(xiàn)象更容易檢測。雖然大多數(shù)系統(tǒng)將在足夠低的溫度下停止工作以將噪聲降低兩倍（例如，~150K），但它們在一定程度上容易受到降低系統(tǒng)溫度的攻擊。使用的一些熱現(xiàn)象包括：

• 來自電阻器的thermal noise，被放大以提供隨機電壓源。

• Avalanche noise產(chǎn)生的avalanche diode，或來自Zener diode的Zener breakdown。

• 由連接到PC的無線電接收器檢測到的Atmospheric noise（雖然大部分噪聲，例如閃電噪聲，但不是熱噪聲，但很可能是chaotic現(xiàn)象）。

在沒有量子效應(yīng)或thermal noise的情況下，可以使用其他傾向于隨機的現(xiàn)象，盡管其方式不易以物理定律為特征。當(dāng)仔細(xì)地組合幾個這樣的源時（例如，在Yarrow算法或Fortuna CSPRNG中），可以收集足夠的熵用于創(chuàng)建加密密鑰和隨機數(shù)，盡管通常以受限的速率。優(yōu)點是這種方法原則上不需要特殊的硬件。缺點是知識淵博的攻擊者可以偷偷地修改軟件或其輸入，從而可能大大降低輸出的隨機性。通常在這種方法中使用的主要隨機源是由機械輸入/輸出設(shè)備（例如鍵盤和磁盤驅(qū)動器，各種系統(tǒng)信息計數(shù)器等）引起的中斷的精確定時。

必須謹(jǐn)慎實施最后一種方法，如果不是，可能會受到攻擊。例如，Linux 2.6.10內(nèi)核中生成器的前向安全性可能會被

產(chǎn)生隨機數(shù)的一種早期方法是用于播放基諾或選擇彩票號碼的相同機器的變體。這些混合編號的乒乓球帶著吹來的空氣，可能與機械攪拌相結(jié)合，并且使用一些方法從混合室中取出球（美國專利4,786,056）。這種方法在某些意義上給出了合理的結(jié)果，但是這種方法產(chǎn)生的隨機數(shù)是昂貴的。該方法固有地慢，并且對于大多數(shù)計算應(yīng)用程序是不可用的。

1947年4月29日，蘭德公司開始生成隨機數(shù)字，帶有“電子輪盤”，由每秒約100,000個脈沖的隨機頻率脈沖源組成，每秒一次，恒定頻率脈沖，并送入五位二進(jìn)制計數(shù)器。道格拉斯飛機公司制造了這種設(shè)備，實施了Cecil Hasting的建議（蘭德P-113）用于噪聲源（很可能是6D4微型氣體閘流管放置在磁場中時眾所周知的行為）。 32個可能的計數(shù)器值中的20個被映射到10個十進(jìn)制數(shù)字上，而其他12個計數(shù)器值被丟棄。

蘭德機器長期運行，經(jīng)過篩選和測試的結(jié)果被轉(zhuǎn)換成表格，該表格于1955年出版于“百萬隨機數(shù)字百萬正常偏差”一書中。 RAND表是提供隨機數(shù)字的重大突破，因為這樣一個大而精心準(zhǔn)備的表從未有過。它一直是模擬，建模和導(dǎo)出加密算法中任意常數(shù)的有用資源，用于證明常量未被惡意選擇。塊密碼Khufu和Khafre是使用RAND表的應(yīng)用程序之一。

首先在賭博的背景下研究不可預(yù)測的隨機數(shù)，并且首先開發(fā)許多隨機化裝置，例如骰子，洗牌紙牌和輪盤賭輪，以用于此類用途。 相當(dāng)生產(chǎn)的隨機數(shù)對于電子賭博至關(guān)重要，而創(chuàng)建它們的方式有時會受到政府博彩委員會的監(jiān)管。

隨機數(shù)字也用于非賭博目的，無論是在數(shù)學(xué)上如何使用它們，例如民意調(diào)查的抽樣，以及通過隨機化近似公平性的情況，例如選擇陪審員和軍事選秀彩票。

加密

硬件隨機數(shù)生成器的主要用途是在數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域，例如創(chuàng)建隨機加密密鑰以加密數(shù)據(jù)。 它們是偽隨機數(shù)生成器（PRNG）的更安全的替代方案，PRNG是計算機中常用于生成“隨機”數(shù)字的軟件程序。 PRNG使用確定性算法來產(chǎn)生數(shù)字序列。 雖然這些偽隨機序列通過隨機性的統(tǒng)計模式測試，但通過知道算法和用于初始化它的條件（稱為“種子”），可以預(yù)測輸出。 由于PRNG生成的數(shù)字序列是可預(yù)測的，因此使用偽隨機數(shù)加密的數(shù)據(jù)可能容易受到密碼分析的影響。 硬件隨機數(shù)生成器生成假定不可預(yù)測的數(shù)字序列，因此在用于加密數(shù)據(jù)時提供最大的安全性。

電子硬件隨機數(shù)發(fā)生器的主要應(yīng)用是加密技術(shù)，它們用于生成隨機加密密鑰以安全地傳輸數(shù)據(jù)。它們廣泛用于Internet加密協(xié)議，如Secure Sockets Layer（SSL）。

隨機數(shù)發(fā)生器也可以通過“隨機”宏觀過程構(gòu)建，使用硬幣翻轉(zhuǎn)，骰子，輪盤和彩票機等設(shè)備。不穩(wěn)定動力系統(tǒng)理論和混沌理論可以證明這些現(xiàn)象存在不可預(yù)測性。盡管宏觀過程在牛頓力學(xué)下是確定性的，但是在輪盤中設(shè)計精良的設(shè)備的輸出在實踐中無法預(yù)測，因為它取決于每次使用的初始條件的敏感微觀細(xì)節(jié)。

盡管骰子主要用于賭博，并且作為游戲中的“隨機化”元素（例如角色扮演游戲），維多利亞時代的科學(xué)家弗朗西斯·高爾頓描述了一種使用骰子在1890年為科學(xué)目的明確生成隨機數(shù)的方法。

硬件隨機數(shù)發(fā)生器通常每秒產(chǎn)生有限數(shù)量的隨機比特。為了提高數(shù)據(jù)速率，它們通常用于為更快的加密安全偽隨機數(shù)生成器生成“種子”，然后生成偽隨機數(shù)輸出序列。

這樣的設(shè)備通常是基于一些能生成低等級、統(tǒng)計學(xué)隨機的“噪聲”信號的微觀現(xiàn)象，如熱力學(xué)噪聲、光電效應(yīng)和量子現(xiàn)象。這些物理過程在理論上是完全不可預(yù)測的，并且已經(jīng)得到了實驗的證實。硬件隨機數(shù)生成器通常由換能器、放大器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成。其中換能器用來將物理過程中的某些效果轉(zhuǎn)換為電信號，放大器及其電路用來將隨機擾動的振幅放大到宏觀級別，而模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器則用來將輸出變成數(shù)字，通常是二進(jìn)制的零和一。通過重復(fù)采樣這些隨機的信號，一系列的隨機數(shù)得以生成。

來自這些系統(tǒng)的比特流容易產(chǎn)生偏差，以1或0為主。有兩種處理偏差和其他偽像的方法。 第一種是設(shè)計RNG以最小化發(fā)電機運行中固有的偏差。 一種校正這種方法的方法是反饋由低通濾波器濾波的生成的比特流，以調(diào)整發(fā)生器的偏置。 通過中心極限定理，反饋回路趨向于“幾乎所有次數(shù)”都經(jīng)過良好調(diào)整。 超高速隨機數(shù)發(fā)生器通常使用這種方法。 即使這樣，產(chǎn)生的數(shù)字通常也有些偏頗。

硬件隨機數(shù)生成器軟件whitening

應(yīng)對誤差的第二種方法是在生成后（在軟件或硬件中）減少偏差。即使采用了上述硬件偏差降低步驟，仍應(yīng)假設(shè)比特流包含偏差和相關(guān)性。通過類似于從相關(guān)信號產(chǎn)生白噪聲的相關(guān)問題，存在幾種用于減少偏置和相關(guān)的技術(shù)，通常稱為“whitening”算法。另一種方法是動態(tài)靜態(tài)測試，它動態(tài)地對每個隨機數(shù)塊進(jìn)行靜態(tài)隨機性檢查。這可以在短時間內(nèi)完成，每秒1千兆字節(jié)或更多。在這種方法中，如果一個塊被確定為可疑塊，則該塊被忽略并取消。 ANSI（X9F1）草案中要求使用此方法。

John von Neumann發(fā)明了一種簡單的算法來修復(fù)簡單偏差并降低相關(guān)性。它一次考慮兩個比特（非重疊），采取三種動作之一：當(dāng)兩個連續(xù)的比特相等時，它們被丟棄;一個1,0的序列變成1;并且0,1的序列變?yōu)榱?。因此，它表示具?的下降沿和具有0的上升沿。這消除了簡單的偏差，并且易于實現(xiàn)為計算機程序或數(shù)字邏輯。無論如何生成比特，該技術(shù)都有效。但是，它無法保證其輸出的隨機性。它能做什么（具有大量丟棄比特）將偏置的隨機比特流變換為無偏比特流。

用于改善近似隨機比特流的另一種技術(shù)是對具有高質(zhì)量密碼安全偽隨機數(shù)發(fā)生器（例如Blum Blum Shub或強流密碼）的輸出的異或比特流。這可以以低成本改善去相關(guān)和數(shù)字偏置;它可以通過FPGA等硬件完成，這比通過軟件實現(xiàn)的速度更快。

減少近似隨機比特流中的偏差的相關(guān)方法是采用兩個或更多個不相關(guān)的近似隨機比特流，并將它們排除在一起。令比特流產(chǎn)生0的概率為

一些設(shè)計將加密散列函數(shù)（例如MD5，SHA-1或RIPEMD-160）或甚至CRC函數(shù)應(yīng)用于全部或部分比特流，然后將輸出用作隨機比特流。這很有吸引力，部分原因是它與其他一些方法相比速度相對較快，但很大程度上取決于哈希輸出中的質(zhì)量，而這些質(zhì)量可能沒有什么理論依據(jù)。

許多物理現(xiàn)象可用于生成高度偏差的位，但每個位獨立于其他位。蓋革計數(shù)器（采樣時間長于管恢復(fù)時間）或半透明鏡像光子探測器都會產(chǎn)生大多數(shù)為“0”（靜音或透射）的位流，偶爾會出現(xiàn)“1”（點擊或反射）。如果每個比特獨立于其他比特，則馮·諾依曼策略為這種高度偏置的比特流中的每個罕見的“1”比特生成一個隨機的無偏輸出比特。諸如高級多級策略（AMLS）等美白技術(shù)可以從這種高度偏差的比特流中提取更多的輸出比特 - 輸出比特就像隨機和無偏差的一樣。

硬件隨機數(shù)生成器PRNG定期刷新隨機密鑰

其他設(shè)計使用被認(rèn)為是真隨機比特作為高質(zhì)量分組密碼算法的關(guān)鍵，將加密輸出作為隨機比特流。但是，在這些情況下必須小心選擇合適的塊模式。在一些實現(xiàn)中，PRNG針對有限數(shù)量的數(shù)字運行，而硬件生成設(shè)備生成新種子。 2100433B

內(nèi)置MD5 HASH算法和隨機數(shù)生成器

符合ISO7816-4標(biāo)準(zhǔn)

符合X.509 V3數(shù)字證書存儲標(biāo)準(zhǔn)

讀卡器與IC卡二合一，方便使用

內(nèi)置PIN碼保護功能，多次誤操作鎖定

帶有軟件控制狀態(tài)指示燈，方便監(jiān)控

三級文件操作權(quán)限管理

SDK軟件特點

支持全部Windows平臺

提供Win2K下智能卡讀卡器虛擬驅(qū)動

圖形化的讀寫編輯USB I型電子密鑰硬件的工具

內(nèi)置MD5 HASH算法和隨機數(shù)生成器

ActiveX部件（非腳本和腳本兩種）

支持通過瀏覽器訪問USB I型電子密鑰的Java插件

供C語言調(diào)用的開發(fā)庫

支持128位密鑰長度的Microsoft CAPI

PKCS#11中間件（支持128位長密鑰）

在調(diào)用生成器之前就存在于工程中的類和集合，都不能用生成器實用工具來編輯和刪除，甚至由生成器的先前調(diào)用所創(chuàng)建的類和集合也是這樣。只能編輯和刪除在生成器的本次調(diào)用中創(chuàng)建的類和集合。

如果在一工程中已經(jīng)有類和集合存在，而且在該工程中第一次調(diào)用生成器實用工具，則所有這些類和集合一開始都將出現(xiàn)在分層結(jié)構(gòu)的根上；生成器沒有關(guān)于分層結(jié)構(gòu)的信息?？梢杂猛侠椒ò才努F(xiàn)有的類和集合，而后，生成器就將記住這一安排。在工程中后續(xù)調(diào)用的生成器都將保留類和集合的這一安排。

自動測試生成器，是一種軟件工具。以計算機程序和準(zhǔn)則作為輸入數(shù)據(jù)。有時測定預(yù)期結(jié)果。

自動測試生成器 automated test generator

一種軟件工具，它以計算機程序和準(zhǔn)則作為輸入，產(chǎn)生的是這些準(zhǔn)則要求的測試輸入數(shù)據(jù)，有時還確定預(yù)期的結(jié)果。

同義詞：測試數(shù)據(jù)生成器 test data generator，測試用例生成器test casegenerator，自動測試數(shù)據(jù)生成器 automated test data generator，自動測試用例生成器 automated test case generator。(GB/T11457-95)2100433B