РАЗРАБОТКА МЕТОДА ГЕНЕРАЦИИ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО РАДИАЦИОННОГО ФОНА Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.4

К.В. Багров

студент ОГУ г. Оренбург, РФ А.А. Рычкова

канд. пед. наук, доцент кафедры вычислительной техники

и защиты информации, ОГУ г. Оренбург, РФ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ГЕНЕРАЦИИ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО РАДИАЦИОННОГО ФОНА

Аннотация

В статье проведен обзор существующих методов генерации случайных чисел на основе физических процессов и явлений, предложен метод генерации случайных чисел на основе природного радиационного фона, разработана структурная и принципиальные схемы устройства, разработано алгоритмическое и программное обеспечение.

Ключевые слова

генератор случайных чисел, счетчик Гейгера, энтропия

С ростом объемов обрабатываемой и передаваемой информации, подлежащей защите, и увеличения числа пользователей различных систем, в которых требуется решать задачи информационной безопасности, в том числе разграничение доступа к информации, возрастают требования к значению энтропии случайных чисел. Из-за недостатка ключевого материала в ключевых расписаниях энтропия раундовых ключей по сравнению с главным ключом уменьшается, что приводит к снижению стойкости реализации используемых криптографических алгоритмов. Решить эту проблему можно путем увеличения значения энтропии ключей шифрования. Выяснить, насколько это реализуемо, а также определить способ генерации ключей шифрования с высокой энтропией, является целью нашей научно-исследовательской работы [1-4].

В целях изучения материалов по теме был проведен поиск аналогов и анализ типовых технических решений, так же был рассмотрен ряд подобных приборов (см. табл. 1).

Таблица 1

Сравнительные характеристики генераторов настоящих случайных чисел

Название Скорость генерацииКб/c Интерфейс Цена

Генератор Архангельского В.Г. и Архангельской А.В 100000 Отсутствует Не известна (Не имеет коммерческой реализации)

Comscrire PQ4000KU 4000 USB 2.0 810 000р

Comscrire PQ32MU 32000 USB 2.0 1 050 000р

ГО Quantique QUANTIS-USB 4000 USB 2.0 700 000р

После изучения аналогов была составлена обобщенная структурная схема аппаратного генератора случайных чисел, рисунок которого представлен на рис. 1 [5].

На шаге 1 источник шума создает случайные колебания в пределах заданного диапазона напряжений и предает его на микроконтроллер, который в свою очередь с помощью АЦП оцифрует получившийся сигнал. На шаге 2 микроконтроллер передает оцифрованный сигнал в интерфейс взаимодействия, который на шаге 3, отправляет преобразованную в нужный формат информацию на компьютер. Обратная связь происходит так же с использованием интерфейса взаимодействия.

{ 1 8 }

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема аппаратного ГСЧ

На основе обобщенной структурной схемы и сравнительного анализа методов генерации случайных последовательностей была разработана концептуальная модель генератора ключей шифрования, на основе природного радиационного фона. Данная модель представлена на рисунке 2.

Аппаратная часть

Сигнал с АЦП микроконтроллера

Программная часть микроконтроллера

Блок программы

Т

Данные в ИЛЯТ формате

А

шв-илят

преобразователь

Программная часть компьютера

Блок взаимодействия с пользователем

Данные в ИБВ формате

Блок программы

Рисунок 2 - Структурная схема генерации ключей шифрования на основе радиационного фона Функции блоков структурной схемы:

- блок питания, подает на аппаратные блоки питающее напряжение.

- счетчик Гейгера, регистрирует радиоактивные частицы, за счет чего на выходе создает высокий уровень сигнала, либо низкий пока детектирование частицы не происходит.

- микроконтроллер, принимает высокий или низкий сигнал от счетчика Гейгера и с помощью встроенного АЦП преобразует его в сигнал для программной части.

- блок программы, принимает сигнал с АЦП, преобразует его исходя из временного интервала между сигналами, и отсылает полученные данные по протоколу 12С.

- ИSB-UART преобразователь, реализует интерфейс взаимодействия между компьютером и микроконтроллером.

- блок программы, принимает данные от микроконтроллера и преобразует их в ключ шифрования на основе параметров, заданных пользователем.

Ч_/ 1 КУ 1 КУ V-/

- блок взаимодействия, реализует графический интерфейс взаимодействия пользователя с программой.

Счетчик Гейгера при регистрации бета или альфа-частицы генерирует на своем выходе импульс, с амплитудой заданной моделью датчика, так для датчика СБМ-20 этот показатель будет равен 50 вольт. Периодичность у сигнала отсутствует в связи с природой радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада, открытый Фредериком Содди, выражает независимость распада радиоактивных ядер друг от друга во времени. Вследствие чего интервалы времени между амплитудными пиками сигнала датчика абсолютно случайны и могут быть использованы для генерации случайных чисел. Пример выходного сигнала приведен на рис. 3.

Рисунок 3 - Выходной сигнал счетчика Гейгера

Для регистрации сигналов планируется использовать линейный АЦП встроенный в микроконтроллер, при этом пиковые значения сигнала будут преобразованы в «1», иные значения в «0». Частота АЦП зависит от используемого микроконтроллера, у Atmega328, на основе которого работает АМшпоИМО/№по, частота АЦП равна 10КГц. Скорость генерации ключа, зависит от алгоритма обработки получаемых сигналов, а также от длины требуемого ключа. Например, для шифрования по ГОСТ 28147-89, требуется 256-битный ключ, на его генерацию будет уходить предположительно 10 секунд. Окончательная электронная схема устройства генерации ключей шифрования на основе природного радиационного фона представлена на рис. 4.

Рисунок 4 - Принципиальная электронная схема устройства генерации ключей шифрования

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ»» ISSN 2410-700X № 6 / 2021 -

Сборка устройства происходит на макетной плате размером 35x100 мм, выбор макетной платы как основы устройства обусловлен тем, что устройство представляет собой тестовый образец, при необходимости, по принципиальной электронной схеме, можно развести плату и вытравить ее на фольгированном текстолите. Устройство, собранное на макетной плате, имеет габариты 48x100 мм. Изображение готового устройства приведено на рис. 5.

Рисунок 5 - Схема устройства на макетной плате

Так же для работы устройством, было разработано приложение, реализующие процесс генерации ключа шифрования с использованием внешнего средства генерации. Интерфейс программы представлен на рисунках 6 и 7.

* Генератор ключей шифрования — □ X

COM3 1

Введите длину ключа: 25Ё|

Начать генерацию

Рисунок 6 - главное окно программы

■ Генератор ключей илифрованид — □ X

6Ё0&349Э235421623352B297764766773S15S45268Q4971929534679-

Рисунок 7 - окно генерации ключа шифрования

Метод генерации случайных последовательностей на основе природного радиационного фона реализуется в электронной форме и в связи с природой радиации имеет высокий уровень случайности генерируемых чисел.

Список использованной литературы:

1 Молдовян, А.А. Протоколы аутентификации с нулевым разглашением секрета. / А.А. Молдовян, Д.Н. Молдовян, А.Б. Левина; - Санкт-Петербургский гос. ун-т. информационных технологий, механики и оптики - Санкт-Петербург: ИТМО, 2016.

2 QuantisQRNGИSBLegacy // IDQuantique [Электронный ресурс]. - режим доступа: https://www.idquantique.com/random-number-generation/products/quantis-random-number-generator/

3 Патент 2331916 Российская Федерация, МПК G06F7/58. Генератор случайных чисел / Архангельский В.Г. Архангельская А.В./ заявитель и патентообладатель Архангельский В.Г. Архангельская А.В. - № 2007123264/09; заявл. 21.06.2007; опубл. 20.08.2008, Бюл. № 23. - 5 с.

4 PureQuantumModelPQ4000KИ // ComScire[Электронный ресурс]. - режим доступа: https ://comscire .com/product/pq4000ku/

5 Буркина, А.В. Аппаратный генератор случайных чисел для математического моделирования / А.В. Буркина; Томский политехнический ун-т. - Томск: ТПУ, 2016.

© Багров К В., Рычкова А.А., 2021

УДК 62-5

Бенгина Т.А.

канд. техн. наук, доцент СамГТУ, г. Самара, РФ

О СВОЙСТВАХ АЗОТИРОВАННОЙ СТАЛИ Аннотация

В статье рассмотрены свойства стали, получаемые в результате химико-термической обработки (азотирования).

Ключевые слова

Химико-термическая обработка, азотирование, твердость, износостойкость, коррозионная стойкость,

контактная выносливость, усталостная выносливость.

Диффузионное насыщение поверхностного слоя металла или сплава (стали) неметаллами (С, N В, Si и др.) или металлами (А1, Сг и др.) при достаточно длительной выдержке в активной жидкой или газовой среде и заданном уровне температуры называется химико-термической обработкой. При таком взаимодействии всех компонент процесса на поверхности обрабатываемого изделия происходит контакт между металлом и насыщающей средой. Азотирование является одним из видов химико-термической обработки.

Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом значительно повышает характеристики изделия: твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. Производительность производственного процесса азотирования гораздо ниже, чем при цементации, однако твердость азотированного слоя в 1,5-2 раза выше. При таком способе обработки твердость сохраняется при нагреве детали до высоких температур вплоть до 600 - 650°С в отличие от стали, полученной при цементации, сохраняющей твердость

поверхностного слоя при температуре, не превышающей 200 - 225°С .

Стальные детали обычно азотируют в реторных (муфельных) печах в оттоке аммиака, который претерпевает диссоциацию на 20-40% при температурах порядка 500 - 560°С. Состав смеси 25% аммиака + 75% азота. В результате диффузии азота в поверхность стали образуется нитридный слой, под которым