基于生物特征的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器已在各個(gè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用,如進(jìn)程調(diào)度、電子游戲、數(shù)值分析中的蒙特卡羅方法和統(tǒng)計(jì)抽樣技術(shù)等。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也是加密算法和協(xié)議的重要組成部分,對(duì)稱加密的密鑰和非對(duì)稱加密的公鑰/私鑰對(duì)也需要隨機(jī)生成。在許多加密協(xié)議中也要用到隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通常分為兩種:真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(TRNGs)和偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(PRNGs)。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的熵源通常來自于真實(shí)的物理世界,如熱噪聲,大氣噪聲,放射性衰減甚至擲硬幣。一般來說,合格的

2、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列通常被認(rèn)為是安全的。但是,設(shè)計(jì)更加便宜方便的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仍然是研究者努力的目標(biāo)。本論文研究選擇了以鼠標(biāo)軌跡和手寫簽名為代表的生物特征(主要是人類行為特征)作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的熵源,并結(jié)合圖像加密、Hash函數(shù)、信號(hào)處理等不同領(lǐng)域的算法,以此設(shè)計(jì)出新穎的、便利的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。本論文的主要工作包括:①提出并研究了基于生物特征的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。這種新穎的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是便宜、方便且在PC機(jī)上具有通用性

3、。同時(shí),這種隨機(jī)數(shù)發(fā)生器很容易作為組件與生物特征認(rèn)證系統(tǒng)和生物特征密碼系統(tǒng)方便地進(jìn)行集成。②設(shè)計(jì)了基于圖像加密和鼠標(biāo)軌跡圖的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。論文對(duì)多種圖像加密算法產(chǎn)生隨機(jī)序列的性能進(jìn)行了分析、研究和實(shí)驗(yàn),為了提高隨機(jī)序列的產(chǎn)生速度,較為深入地討論了分塊加密模式下圖像加密算法的擴(kuò)散性,并給出了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格雪崩效應(yīng)的理論最少迭代輪數(shù),從而提出了“不碰撞擴(kuò)散”的思路?；谠撍悸?設(shè)計(jì)了兩個(gè)新的算法,實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明,新算法在速度、敏感性和隨機(jī)性測(cè)試中

4、表現(xiàn)出了良好的性能。③設(shè)計(jì)了基于Hash函數(shù)和鼠標(biāo)軌跡序列的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。通常Hash函數(shù)在處理數(shù)據(jù)方面快于圖像加密算法,且Hash值本身也具有隨機(jī)性?；煦鏗ash函數(shù)能夠幫助消除同一個(gè)用戶的鼠標(biāo)軌跡中的相似模式。論文給出了真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的算法框架,采用不同的混沌Hash函數(shù)進(jìn)行對(duì)比,并改進(jìn)了其中一種算法。實(shí)驗(yàn)證明,基于改進(jìn)算法的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的序列具有良好的隨機(jī)性。④研究了基于在線手寫簽名的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。傳統(tǒng)的生物特征認(rèn)證系統(tǒng)是最

5、大程度提取生物特征的相似模式,拋棄隨機(jī)性,與之相反,本論文研究著重于提取和放大隱藏于生物特征中的隨機(jī)信號(hào),從而生成隨機(jī)性良好的隨機(jī)序列。在對(duì)不同的生物特征、信號(hào)處理方法和數(shù)位提取方法進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了三種基于信號(hào)特征提取的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。該方法生成的隨機(jī)性序列通過了NIST的部分測(cè)試。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這類算法的速度明顯快于采用圖像加密和部分Hash算法產(chǎn)生隨機(jī)序列。⑤將基于手寫簽名的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器應(yīng)用在一類生物特征密碼系統(tǒng)