Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора

Запропоновано новий спосіб генерації випадкових чисел за допомогою оптичного маніпулятора «миша». Показано, що за певних, спеціально створених умов, оптичний маніпулятор може стати ефективним джерелом ентропії в системах криптографічного захисту інформації. Швидкість генерації ентропії в такому джер...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Михерский, Р.М., Попов, О.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2011
Назва видання:	Проблемы управления и информатики
Теми:	Проблемы защиты информации
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207332
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора / Р.М. Михерский, О.И. Попов // Проблемы управления и информатики. — 2011. — № 4. — С. 152–155. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-207332
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-2073322025-10-07T00:25:22Z Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора Генерація випадкових чисел за допомогою оптичного маніпулятора Generation of Random Numbers by Means of Optical Manipulator Михерский, Р.М. Попов, О.И. Проблемы защиты информации Запропоновано новий спосіб генерації випадкових чисел за допомогою оптичного маніпулятора «миша». Показано, що за певних, спеціально створених умов, оптичний маніпулятор може стати ефективним джерелом ентропії в системах криптографічного захисту інформації. Швидкість генерації ентропії в такому джерелі досягає 971 біт/с. The new way of generation of random numbers through optical manipulator «mouse» is suggested. It is shown that in definite, specially created circumstances, optical manipulator can become an effective source of entropy in the cryptographically protected informational systems. Speed of generation of entropy in such sources can achieve 971 bit/sec. 2011 Article Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора / Р.М. Михерский, О.И. Попов // Проблемы управления и информатики. — 2011. — № 4. — С. 152–155. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207332 004.421.5 10.1615/JAutomatInfScien.v43.i8.70 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Проблемы защиты информации Проблемы защиты информации
spellingShingle	Проблемы защиты информации Проблемы защиты информации Михерский, Р.М. Попов, О.И. Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора Проблемы управления и информатики
description	Запропоновано новий спосіб генерації випадкових чисел за допомогою оптичного маніпулятора «миша». Показано, що за певних, спеціально створених умов, оптичний маніпулятор може стати ефективним джерелом ентропії в системах криптографічного захисту інформації. Швидкість генерації ентропії в такому джерелі досягає 971 біт/с.
format	Article
author	Михерский, Р.М. Попов, О.И.
author_facet	Михерский, Р.М. Попов, О.И.
author_sort	Михерский, Р.М.
title	Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора
title_short	Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора
title_full	Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора
title_fullStr	Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора
title_full_unstemmed	Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора
title_sort	генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Проблемы защиты информации
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207332
citation_txt	Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора / Р.М. Михерский, О.И. Попов // Проблемы управления и информатики. — 2011. — № 4. — С. 152–155. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv	AT miherskijrm generaciâslučajnyhčiselspomoŝʹûoptičeskogomanipulâtora AT popovoi generaciâslučajnyhčiselspomoŝʹûoptičeskogomanipulâtora AT miherskijrm generacíâvipadkovihčiselzadopomogoûoptičnogomanípulâtora AT popovoi generacíâvipadkovihčiselzadopomogoûoptičnogomanípulâtora AT miherskijrm generationofrandomnumbersbymeansofopticalmanipulator AT popovoi generationofrandomnumbersbymeansofopticalmanipulator
first_indexed	2025-10-07T01:09:47Z
last_indexed	2025-10-08T01:04:25Z
_version_	1845373662139514880
fulltext	© Р.М. МИХЕРСКИЙ, О.И. ПОПОВ, 2011 152 ISSN 0572-2691 УДК 004.421.5 Р.М. Михерский, О.И. Попов ГЕНЕРАЦИЯ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО МАНИПУЛЯТОРА Генераторы случайных и псевдослучайных чисел — важное звено обеспече- ния информационной безопасности. Так как подобные генераторы применяются во многих криптографических задачах, например формирование ключей и слу- чайных параметров систем шифрования, то требования, предъявляемые к ним, достаточно высокие. На практике часто используются генераторы псевдослучайных чисел. Это свя- зано с тем, что они реализуются программно, что существенно проще, чем техниче- ская реализация генераторов случайных чисел. Тем не мене у генераторов псевдо- случайных чисел имеется ряд существенных недостатков, а именно: 1) они сравнительно мало исследованы на криптографическую стойкость [1], используя какой-то из алгоритмов генерации псевдослучайных чисел, пользова- тель никогда до конца не может быть уверен в его устойчивости к криптографи- ческим атакам; 2) любой генератор псевдослучайных чисел рано или поздно зацикливается, т.е. начинает повторять одну и ту же последовательность чисел; 3) в своей работе генераторы псевдослучайных чисел требуют случайного начального числа, которое можно получить используя генератор истинно случай- ных чисел. С учетом изложенного ясно, что при разработке достаточно устойчивой к атакам криптографической системы невозможно обойтись без использования ге- нератора истинно случайных чисел. Этот генератор должен или полностью заме- нить генератор псевдослучайных чисел, или использоваться совместно с генера- тором псевдослучайных чисел, обеспечивая его истинно случайными начальными числами. В настоящее время для генерации истинно случайных чисел существует два подхода. Первый связан с созданием и применением специальных устройств, ис- пользующих какие-либо физические источники шума, имеющие доказуемо слу- чайное поведение (например, тепловой шум полупроводникового диода [2], счет- чики Гейгера [3], нестабильность частоты свободно колеблющегося осциллято- ра [4], нулевые вакуумные колебания электромагнитного поля [5] и т.д.). Однако часто возникает задача получения случайных величин на обычном персональном компьютере без применения дополнительного оборудования. В связи с этим более актуален второй подход, связанный с использованием собы- тий от стандартных устройств компьютера: нажатий пользователем кнопок на клавиатуре или «мыши»; движение пользователем мыши; время откликов прин- теров, сканеров, жестких дисков [6]; взаимодействие между потоками; «шум» ви- деокарты, счетчик тактов процессора и пр. Однако каждый из этих способов гене- рации энтропии имеет свои недостатки. Так, нажатие пользователем кнопок на клавиатуре или мыши обеспечивает достаточно медленный поток энтропии, кро- ме этого, в процессе работы криптографической системы требуется участие поль- зователя, что не всегда возможно. К недостаткам самого распространенного спо- соба генерации энтропии (использование счетчика тактов процессора), можно от- нести чувствительность фазового шума генераторов частоты к внешним помехам, а значит, возможность влиять на генератор случайны чисел извне [7]. Поэтому, как правило, в современных системах криптографической защиты информации используется не один источник энтропии, а их совокупность [8]. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2011, № 4 153 Основная цель данной работы — исследование возможности генерации слу- чайных чисел с помощью оптического манипулятора «мышь», используемого не в стандартном режиме. Иллюстрация эксперимента приведена на рис. 1. Оптический манипулятор «мышь» помещается на поверхность со сложным рельефом. Фотография этой поверхности, на которой располагается оптический манипулятор, представлена на рис. 2. При этом плоскость нижней поверхности мыши ориентируется не строго параллельно рабочей поверхности, как в стандартном режиме использо- вания, а под углом в 2 . Это достигается увеличением высоты ножек с одной стороны мыши на 3 мм. 3 мм Рис. 1 10 мм Рис. 2 При выполнении приведенных выше условий курсор оптического манипуля- тора выходит из стабильного положения и начинает случайным образом переме- щаться по экрану монитора. Это связано с тем, что система обработки изображе- ний манипулятора в данном случае не может правильно сфокусироваться на по- верхности, и в этой системе возникает достаточно сильный «шум». Координаты X и Y перемещающегося курсора определяются и записываются на жесткий диск с помощью специально разработанной компьютерной программы. Для проведения экспериментов использовался ноутбук HP Pavilion dv5-1193eR с центральным процессором Mobile DualCore Intel Core 2 Duo P7350, частота — 1981 MHz; ОЗУ — 3 Гб; видеоадаптер NVIDIA GeForce 9600M GT (512 Мб). Опе- рационная система Windows 7 Ultimate. Компьютерная программа создана в среде разработки Borland C Builder 6, оптический манипулятор — Genius GM-03003. Однако подобные результаты получены и для других моделей оптических манипу- ляторов, таких как Genius NetScroll 110 и Tech WOP-35. Зависимость координат X и Y от номера n наблюдения положения курсора для типичного эксперимента представлены на рис. 3. В данном эксперименте зафикси- ровано 10 тыс. положений курсора. Время, потраченное на эксперимент, составило 76 с, что соответствует фиксации приблизительно 132 положений курсора в секунду. Для выделения случайной высокочастотной компоненты найдены цепные абсолютные приросты координат iX и iY по формулам ,1 iii XXX ,1 iii YYY где iX и iY — значения координат в i-м наблюдении, а 1iX и 1iY — значения координат в предшествующем наблюдении. Из рассмотрения были исключены абсолютные приросты координат, имею- щие нулевые значения. В данном эксперименте наблюдалось 8113XN ненуле- вых значений iX и 8153YN ненулевых значений .iY Минимальное наблю- даемое значение iX составило –98, максимальное наблюдаемое значение — 101. Минимальное наблюдаемое значение iY составило –43, максимальное наблюда- емое значение — 34. На рис. 4 представлено 200 первых ненулевых значений цепных абсолютных приростов координат iX и iY от номера n. Из данного рисунка можно определить визуально, что зависимость величин от номера в последовательности отсутствует. 154 ISSN 0572-2691 Xi, Yi X Y n 40 30 20 10 0 – 10 – 20 0 40 80 120 160 200 50 – 30 – 40 Рис. 4 На рис. 5 приведена гистограмма частот f ненулевых значений цепных абсо- лютных приростов координат ,iX а на рис. 6 — гистограмма частот f ненулевых значений цепных абсолютных приростов координат .iY Для сравнения на этих ри- сунках приведены также графики нормального распределения частот. Как видно из представленных рисунков, распределения частот ненулевых значений цепных абсо- лютных приростов достаточно симметричны относительно нуля (асимметрия для iX составила 0,146; для iY она равна –0,178), но имеют более острый максимум, чем нормальное распределение (эксцесс для iX равен 18,122; для iY — 3,09). f Yi 1000 800 600 400 – 43 – 31 – 19 – 7 – 1 5 1200 200 0 17 20 Рис. 6 Определим скорость генерации энтропии. Наиболее распространенное опре- деление энтропии переменной Z формулируется следующим образом [1]:   z zZPzZPZH ),(log)()( 2 (1) где )( zZP  — вероятность того, что переменная Z примет значение z. Воспользовавшись формулой (1) и учитывая распределение частот, приве- денное на рис. 5, найдем, что средняя величина энтропии, приходящейся на один ненулевой цепной абсолютный прирост ,iX составляет 4,704 бит. Аналогичным образом, с учетом (1) и распределения частот, приведенного на рис. 6, определим, что средняя величина энтропии, приходящейся на один ненулевой цепной абсо- лютный прирост ,iY составляет 4,369 бит. Найдем теперь величину энтропии H, накапливаемую за все время экспе- римента. Так энтропию ,XH накапливаемую за счет случайного изменения ненулевых цепных абсолютных приростов ,iX можно определить как XH 38164704,4  XN бит. X, Y X Y n 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Рис. 3 f Xi 900 800 700 600 500 400 300 – 98 – 70 – 42 – 14 0 14 1000 200 100 0 42 70 98 Рис. 5 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2011, № 4 155 В свою очередь, энтропия ,YH накапливаемая за счет случайного изменения ненулевых цепных абсолютных приростов ,iY определяется как  369,4YH 35620 YN бит. При этом энтропия, накапливаемая за время эксперимента, со- ставляет 73784  YX HHH бит. Учитывая, что эксперимент продолжался ,с76t средняя скорость генерации энтропии tH составила 971/  tНHt бит/с. В заключение отметим, что оптический манипулятор, применяемый в не- стандартном режиме, может стать эффективным источником энтропии. Он может использоваться в современных системах криптографической защиты, например, таких как «одноразовый блокнот» [3]. Такие системы требуют большого объема истинно случайных чисел, поскольку в этих системах длина ключевой последова- тельности должна равняться длине сообщения. На практике подобные системы ис- пользуются для сверхсекретных каналов связи с низкой пропускной способностью. Другим направлением использования предложенного метода генерации слу- чайных чисел может быть получение инициализационного вектора для построе- ния криптостойких генераторов псевдослучайных чисел. Р.М. Міхерський, О.І. Попов ГЕНЕРАЦІЯ ВИПАДКОВИХ ЧИСЕЛ ЗА ДОПОМОГОЮ ОПТИЧНОГО МАНІПУЛЯТОРА Запропоновано новий спосіб генерації випадкових чисел за допомогою оптичного маніпулятора «миша». Показано, що за певних, спеціально створених умов, оптич- ний маніпулятор може стати ефективним джерелом ентропії в системах крипто- графічного захисту інформації. Швидкість генерації ентропії в такому джерелі до- сягає 971 біт/с. R.M. Mikhersky, O.I. Popov GENERATION OF RANDOM NUMBERS BY MEANS OF OPTICAL MANIPULATOR The new way of generation of random numbers through optical manipulator «mouse» is suggested. It is shown that in definite, specially created circumstances, optical manipula- tor can become an effective source of entropy in the cryptographically protected informa- tional systems. Speed of generation of entropy in such sources can achieve 971 bit/sec. 1. Фергюсон Н., Шнайдер Б. Практическая криптография : Пер. с англ. — М. : Вильямс, 2005. — 424 с. 2. Richter M. Fin Rauschgenerator zur Gewinnung won quasi-idealen Zufallszahlen fur die stochas- tische Simulation : Ph.D. dissertation, Aechen University of Technology, 1992. 3. Schneier B. Applied cryptography: protocols, algorithms, and source code in C. Second edition. — New York : John Wiley & Sons, Inc., 1996. — 760 p. 4. Fairfield R.C., Mortenson R.L., Koulthart K.B. An LSI random number generator, advances in cryptology // Proceedings of CRYPTO 84, Springer Verlag, 1985. — P. 203–230. 5. A Generator for unique quantum random numbers based on vacuum states / C. Gabriel, C. Witt- mann, D. Sych, R. Dong, W. Mauerer, U.L. Andersen, C. Marquard, G. Leuchs // Nature Pho- tonics. — 2010. — 4. — P. 711–715. 6. Davis D., Ihaka R., Fenstermacher P. Cryptographic randomnes from air turbulence in disk drives. Y.G. Desmedit (ed). Advances in Cryptology — CRYPTO 94 // Lecture Notes in Comput. Sci. — 1994. — 839. — P. 114–120. 7. Ковалев А.В. Реализация генераторов случайных чисел // Тр. Науч. сессии МИФИ. — 2007. — 12. — С. 176–177. 8. Dorrendorf L., Guttermann Z., Pinkas B. Cryptanalysis of the random number generator of the Windows operating system // Cryptology ePrint Archive: Rep. 2007/419. Получено 04.01.2011 После доработки 11.03.2011

Генерация случайных чисел с помощью оптического манипулятора

Репозитарії

Схожі ресурси