Генератор рівномірно розподілених ймовірних чисел

МГЖ6 G06F 7/58, G07C 15/00 Генератор рівномірно розподілених ймовірних чисел Винахід відноситься до області обчислювальної техніки і може бути використаний в системах захисту інформації обчислювальних систем, наприклад, при генерації параметрів алгоритмів криптрща^ічного перетворення, в протоколах іщентифікшщ, в засобах ймовірнісного кодування та ін. Відомий генератор ймовірних чисел, що містить генератор широкосмугової шумової напруги, підсилювач-обмежувач, перетворювач тимчасового інтервалу у монотонно зростаючу напругу, поррговий елемент, розширювач імпульсів, лічильний тригер, елементи І та НІ, генератор тактових імпульсів (див. А. С. СРСР №857960 по МШ G06F 1/02, G07C 15/00, бюл. №31,1981). Найбільш близьким по сукупності признаків є генератор ймовірних чисел (див. Горицкий В. М., Пархоменко К В. та ін. Розробка програмно-апаратних засобів генерації ймовірних послідовностей. /UkrTeil Conf-97, Одеса, 9-12 верес. 1997), що містить вузол генерації випадкових бітів, який включає в себе генератор шуму, вихід якого з'єднаний зі входом підсилювача-обмежувача, і вузол спряження з ПЕОМ, який включає в себе регістр зсуву, з'єднаний виходом зі входом вихідного регістру, який з'єднай виходами з шиною даних ПЕОМ, тактовий генератор, вихід якого з'єднаний з синхррвходом регістру зсуву та входом лічильника імпульсів, вихід якого з'єднаний з синхровходом вихідного регістру та виходом тригера «прапора», вихід якого з'єднаний з виходом запиту переривашія та через буферний елемент І з шиною даних ПЕОМ, включений своїм входом до шини адреси ПЕОМ дешифратор адреси, з'єднай першим виходом зі входом дозволу вихідного регістру і входом скидання тригера «прапора», а другим виходом через буферний елемент І з шиною даних ПЕОМ. Одноканальні схеми, що описані як аналог та прототип, не забезпечують надійність генерації рівноімовірних бітів, у випадку зміни параметрів генератора шуму або підсилювача-обмежувача > В основу винаходу поставлена задача створення такого генератора рівномірно розподілених ймовірних чисел, у якого нове схемне рішення вузла генерації випадкових бітів дозволило б забезпечити високу надійність генерації йвнршрвщних чисел. Такий технічний результат може бути досягнутий, якщо в генераторі рівномірно розподілених ймовірних чисел, що містить вузол генерації випадкових бітіа, який складається з послідовно з'єднаних генератора шуму та ігідсилювачаобмежувача, і вузол сщ>яження з ПЕОМ, включаючий в себе регістр зсуву, виходи якого увімкнуті до входів вихідного регістру, з'єднаного виходами з шиною даних ПЕОМ, тактовий генератор, вихід якого з'єднаний з синхррвхрдом регістру зсуву та входом лічільника імпульсів, вихід якого під'єднай до синхррвхрду вихідного регістру та входу тригера «прапора», а його вихід з'єднаний з виходом запиту переривання та через буферний елемент І з шиною даних ПЕОМ, і дешифратор адреси, включений входами до шини адреси ПЕОМ, а першим виходом до входу дозволу вихідного регістру і входу скидання тригера «прапора», і другим виходом до буферного елементу І, згідно винаходу, вузол генерації випадкових бітів, виконаний багатоканальним, у кожний канал додатково введені лічільні тригери, виходи яких з'єднані з входами введеного елементу ВИКЛЮЧНЕ АБО, вихід якого з'єднаний зі входом даних регістру зсуву вузла спряження з ПЕОМ. Таким чином, вихід з ладу навіть декількох каналів за рахунок зміни параметрів генераторів шуму або підсилювачей-обмежувачів не впливає на рівноімовірний закон розподілу випадкових чисел генератора, що заявляється. На срїгурі зображена структурна схема генератора рівномірно розподілених ймовірних чисел. Генератор містить баїитоканальний вузол 1 генерації випадкових бітів, кожний канал якого складається з послідовно з'єднаних генераторів 2.1...2.П шуму, підсилювачів-обмежувачів 3.1... З.п і лічильних тригерів 4.1...4.п, де: пґ2 і більш - кількість каналів. Виходи лічильних тригерів з'єднані зі входами елементу 5 ВИКЛЮЧНЕ АБО, вихід якого з'єднаний зі входом даних регістру 6 зсуву вузла 7 стэяження з ПЕОМ. Виходи регістру 6 зсуву з'єднані зі входами вихідного регістру 8, з'єднаного виходами з шиною даних ПЕОМ. Вихід тактового генератора 9 з'єднаний з .синхровходом регістру 6 зсуву і виходом лічільника 10 імпульсів, вихід якого з'єднаний з синхровходом вихідного регістру 8 і входом тригера 11 «прапора», вихід якого через буферний елемент 12 І з'єднаний з шиною даних ПЕОМ. Дешифратор 13 адреси з'єднаний з шиною адреси ПЕОМ, перший вихід дешифратора 13 з'єднай з входом скидання тригера 11 «прапора» і з входом дозволу вихідного регістру 8, а другим - з буферним елементом 121. Генератор рівномірно розподілених ймовірних чисел працює слідуючим чином. На виходах генераторів шуму 2.1... 2.п формуються імпульси випадкової амплітуди, наступні через випадкові періоди. Амплітуди цих імпульсів підсилювачами-обмежувачами 3.1...З.п перетворюються в логічні рівні ТТЛ Шфрсхем. Необхідно відзначити, що тривалість імпульсів на виході іодсилювачівобмежувачів значно менша пауз між імпульсами. Якщо використати ці сигнали для зчитування випадкових бітів, то ймовірність нулей буде значно більша ймовірності одиничних .бітів- Для вирівнювання ймовірностей в кожний канал введені лічильні тригери 4.1...4.П, вихідні сигнали яких з рівною ймовірністю знаходяться в стані логічного нуля і логічної одиниці. Випадкові біти, що сформувалися на виходах усіх каналів, об'єднуються елементом 5 ВИКЛЮЧНОГО АБО, вихід якого є виходом вузла 1 генерації випадкових бітів. Ці рівномірно розподілені випадкові біти записуються послідовно в регістр 6 зсуву з частотою, що виробляється тактовим генератором 9 в вузлі 7 спряження з ПЕОМ. Обов'язковою умовою формування рівномірно розподілених ймовірних чисел є вибір періоду тактових імпульсів генератора 9 у 5... 10 разів більшим, ніж середній період випадкових імпульсів на виходах генераторів шуму 2.1...2.П. Лічильник 10 імпульсів через кожні 16 періодів тактового генератора 9 формує імпульс для запису коду з регістру 6 зсуву в вихідний регістр 8 і для установи тригера 11 «прапора» в одиничний стан. Вихідний сигнал тригеру 11 «прапора» подається на вихід запиту переривання IRQ ПЕОМ. Виконуючи щдгпэограму обробки переривання, ПЕОМ зчитує випадкове число з вихідного регістру 8 на шину даних. Для цього на шину адреси І | ПЕОМ виставляється адреса порта генератора ймовірних чисел, що розпізнається дешифратором 13 адреси, і вихідний сигнал дешифратора дозволяє зчитування коду вихідного регістру 8, а також скидає в нуль тригер .11 «прапора». Стан Тригеру «прапора» може бути також прочитаний на шині даних ПЕОМ через буферний елемент 12 І, на вхід дозволу якого подається імпульс з другого виходу дешифратора 13 адреси. Функціонування генератора рівномірно розподілених ймовірних чисел можливо тільки в складі програмно-апаратного комплексу, включаючого в себе власне генератор рівномірно розподілених ймовірних чисел, програмний драйвер зчитування випадкових чисел і програми тестування При тестуванні генератора рівномірно розподілених ймовірних чисел перевірялася відповідність випадкових чисел, що генеруються, умовам: • Шнрімрвірностї з використанням критерію Пірсона; • Випадковості по критерію серій; • Шкорельованості по коефіцієнтам корелжцї розрядів байтів випадкової послідовності; • • , „ ... Незалежності по засобу спряження признаків; Однорідності по засобу перевірки гіпотези про збіг розподілення. Результати експериментальних досліджень підтвердили рівноімовірний закон розподілу випадкових чисел, що генеруються. Експериментально перевірена ефективність "гарячого резервування" для двох каналів генерації випадкових бітів. На вхід елементу 5 ВИКЛЮЧНОГО АБО замість одного з каналів генерації випадкових бітів подавалися: • Постійні логічні рівні "0" або " 1"; • Прямокутний сигнал з виходу детермінованого генератора. Тестування вихідних випадкових чисел по усім перерахованим умовам не виявили відхилень від рівноімовірного закону розподілу в усіх експериментах. Генератор рівномірно розподілених Ймовірних чисел т G 2.1 4.1 3.1 G О 2.2 4.2 3.2 т G 2.п 4.n З.п D RG RG ->> Шина -». Даних ПЕОМ 8 12 G9 СТ Т 10 11 IRQ Шина Адреси ПЕОМ DC 13 Автори: Фіг. І.Д.Горбенко О.О.Торба С.Г.Єлаков О.З.Степченко О.І.Риженко