Научная новизна и актуальность проекта

Команда: «Кулон 17»

в составеинженеров-конструкторов:

1. Лисютина П.А.,

2. Бунятова К.К.

 

Москва,

2017 год

Содержание

Введение…………………………………………………………………..……стр.3

Научная новизна и актуальность проекта……………………………………стр.6

Практическая реализуемость и текущая стадия реализации, место реализации проекта…………………………………………………………………………стр.7

Предварительные экономические показатели (сроки реализации, ориентировочный объем инвестиций)………………………………….....стр.8

Основные конкурентные преимущества………………………………….стр.10

Ожидание от конкурса – как он поможет в реализации проекта?............стр.12

Заключение…………………………………………………………………...стр.12

Список использованных источников информации………………………..стр.13

Приложение №1 Глоссарий используемых понятий……………………..стр.14

Приложение №2 Результаты тестирования………………………………..стр.15

Введение

Созданиеаппаратного генератора случайных чисел (далее «символов»* т.к. устройство способно генерировать помимочисел из множества {0:9} весь существующий набор символов ASCII, и служебных команд из комбинации нескольких (>=2)клавиш) произошло у нас как увлекательное дополнениенашего основного творческого процесса - работы конструкторами радиоэлектронной аппаратуры.

В целях приобретения дополнительной (помимо работы) практики конструирования радиоэлектронных устройств мы начали изучать, и всячески модифицировать (в том числе в домашних условиях) существующие программно-аппаратные устройства для работы пользователя на компьютере (здесь по смыслу «устройства ввода» - см. Приложение №1).

Мы так же пробовали создавать специализированное альтернативные устройства ввода (см. Приложение №1) в том числе модифицировали (удалили разводку топологии контактов проводников клавиш)стандартнуюклавиатуруQWERTY (ЙЦУКЕНГ).

Нам показалось интересным не тождественность количества клавиш на имеющейся у нас в наличии клавиатуре со стандартной раскладкой(104 клавишиQWERTY (ЙЦУКЕНГ)) -количествувозможных комбинаций замыкания сигнальных выводов микроконтроллера на печатной плате используемого экземпляра клавиатуры.

Возникла гипотеза о том, что некоторые дополнительные возможности взаимодействия пользователя с компьютером присутствуют уже в самих аппаратных реализациях устройств, работающих через протоколы ввода-вывода данных (интерфейсах USB(1.0-3.0) и PS/2).

*Примечание: В целях избежание разночтения в понимании излагаемой информации в части используемых в проект понятий мы привели (в Приложении №1) глоссарий основных понятий с которыми рекомендуем ознакомиться перед началом чтения.

Опытным путем проверили наше предположение последовательностью случайных(по времени и присвоенным номерам контактов)замыканий контактов сигнальных выводов модифицированного (без корпуса) устройства ввода. Выяснили, что срабатыванию клавиши соответствует замыкание некоторых двух контактов из топологии проводников микросхемы.

Простое арифметическое вычисление – позволилополучить следующие данные:

Таблица 1 – Сравнение возможного количества ввода символов (команд) стандартной и модифицированной клавиатур.

Устройство ввода	Теоретически* возможное количество сигналов (команд)	Теоретически** возможное количество сигналов (команд)	Теоретически возможное*** количество сигналов(команд)
Модифицированное устройство ввода	25·(26+1)/2=325	325·24·23= 13800	325·24·23·22·21=82882800
104 клавишная клавиатура QWERTY(ЙЦУКЕНГ)	104 (количество кнопок)	104· (103)/2=5356	5356·102=5356102
Пояснение: * Соответствует нажатию одной кнопки (например, символ «=», получаемый клавишей «=» в русской раскладке или символ «+» с включенным (ранее) NumLock). ** Соответствует нажатию двух кнопок (от 3 до 4 контактов) (например, символ «+», получаемый сочетанием клавиши «Shift»+«+»). *** Соответствует нажатию трех кнопок (например, «Ctrl»+«Alt»+«Del») (замыкание 4-6 контактов). **** Тестированию проводилась клавиатура с максимальных количеством «нажатых» клавиш (режим «3KRO»), равным трем.

Результаты позволяют сделать следующий вывод: даже наличие одного единственного «для ввода невозможного» символа («невозможной» команды) открывает широкие горизонты для встраивания разработчиком в свое программное обеспечение дополнительных возможностей, что же говорить, если «несуществующих» (невозможных для нажатия) «кнопок» в стандартной клавиатуре оказывается больше чем возможных?! 

Мы постарались избежать соблазна ограничиться направлением создания модифицированных(в частности, для киберспорта) клавиатури размышляли об ином возможном спросе в модифицированных устройствах ввода (в том числе взаимодействия человек-компьютер лиц с ограниченными возможностями).

Мы обнаружили, что многие устройство давно уже изобретены, просто не имеют широкого распространения в Российской Федерации

Мы попробовали по новомувзглянуть на существующую по сей день компьютерную архитектуру Фон Неймана.

Приобретая радиодетали для нашего проекта, наше внимание привлекло электро-механическое устройство, работающее на батарейках, которое после доработки мы взяли источником («генератором») энтропии (источником «информационной энтропии» в случае конструктивного сочленения с нашим модифицированным устройством ввода), и мы стали разрабатывать механическую приставку, которая позволила бы имитировать случайное нажатие кнопок пользователем компьютера.

Мы назвали модуль «кинетическим», но по своей сути это контакт-контактный замыкатель согласно ГОСТ, своего рода «кнопка-тык».

В связи с использованием конструкции механического имитатора нажатия кнопок к нам пришла задача «создания максимальной случайности» из получаемого массива случайных чисел.

На Рисункепредставлено изображениеконтактных клемм(квадратами цветами). Разумеется «квадрат» отличается от фактической геометрии конструкции контактной площадки под контакт-контактнымзамыкателем.

Рисунок 1 - Близкий к «равновероятному случайному распределению» фрагмент общей контактной площадкиJ.

Синтезомсуществующих теоретических знаний и экспериментальным конструированием мы вывели соотношения геометрических размеров контакт-контактногозамыкателя и физически распределенной на плоскости контактной площадки «клавиш», которая позволилаприблизить «случайность»генерации (ввода) символов (команд) для некоторого «словаря»(см. Приложение №1)ограниченного количества контактов m (2<m<26) к случайной в некотором непродолжительным (около часа) временном интервале.

Подытоживая ранее сказанное, нами разработан и сконструирован действующий прототип USB аппаратного генератора случайных символов (команд) из определенного выбранного ранее самим пользователем словаря символов (команд) в течение одного часа, и продолжаем его совершенствовать.

*Примечание: замыканием 4 контактов можно получить до 8 «случайных» символов (пример словаря: «направление: вперед, назад, влево, вправо, вверх, вниз» + «движение: ускорение, замедление»).

Место реализации проекта

В настоящее время прототип устройства сконструирован в лабораторно-полевых условиях.

Носит рабочее название «Прииск».

Полученные последовательности значений случайных чисел (представлены в Приложении №2) проверены на предмет отклонения математического ожидания полученных статистических выборок (проверка «нормированности» математического равновероятного распределения для          m -контактной площадки).

Предварительные экономические показатели

(сроки реализации, ориентировочный объем инвестиций)

 

Попробуемвыявить маркетинговые ниши возможного применения устройства исключительно в классе аппаратных устройств (Прим.: скорость генерации случайных чисел является общим слабым местом аппаратных генераторов в обмен на «истинную случайность»).

Радиоэлектронные аппаратные устройства(далее речь пойдет исключительно об устройствах получения случайных чисел (сигналов) на входе устройства ввода компьютера) бывают двух классов (использующие квантово-механический процесс и преобразующие не квантовый физический процесс с помощью устройства сравнения (компаратора).

Квантово-механические устройства (дробовый шум фотоэффекта,радиоактивный распад) очень дорогостоящие в реализации,требуют высокотехнологичных наукоемких производств, и немногим по карману.

Неквантовые устройства (оцифровка теплового шума резистора,  шумы на входе звуковой карты) дешевы, малонадежны, в отличие от первого упомянутого класса требуют постоянной статистической калибровки перед началом использования.

Кроме того, в состав устройств в обязательном порядке должны входить аналогово-цифровое программно-аппаратное устройство (компаратор) прикладное программное обеспечение для преобразования оцифрованного сигнала в символы ASCII и команды.

В отличие от перечисленных устройств в нашем устройстве не требуется ни прикладное программное обеспечение, ни модификация драйвера производителя клавиатуры, в связи с чемцифровая подпись производителя не нарушается, авторские права производителя, связанные с модификацией нами устройства производителя, не нарушаются (раскладка QWERTY (ЙЦУКЕНГ) предметом авторского права не является).

В общем случае примерное соотношение производственных затрат на изготовление единичногоустройства выглядит следующим образом.

 

 

Таблица 2 Калькуляция единичного производства изделия.

Этап конструирования устройства	Примечание, Продолжительность времени чел/час	Примечание, Стоимость запасных частей (расходных материалов), тыс.руб
Подготовка модифициро-ванного устройства ввода	Разборка, частичный демонтаж, распайка контактной площадки. Фрезеровка корпуса по существующей 3D модели. ~25	Донорная клавиатура*. Макетная плата. Разъемы.Корпус (фрезеровка по 3D модели), стойки. ~3
Многожильный кабель соединения	Распайка кабеля. Проверка качества соединения. ~5	Кабель.Разъемы. ~1
Создание кинематического модуля	Фрезеровка перфорационной пластины (платы). Монтаж клеммных колодок. Монтаж присоединительного разъема и соединений. ~35	Устройство источника энтропии*. Алюминиевый лист. Провод МГТФ (около 20 метров). ~2
Настройка устройства.	Монтаж, настройка требуемых зазоров контактной площадки. Калибровка.~15
Итого	80 (примерно пол месяца работы инженера-квалифицированного радиомонтажника)	Около6т.р.
Итого	Себестоимость* изготовления образца 40 т.р.** *Примечание: С учетом использования готовых неразработанных компонентов. **Примечание без учета затрат на эксплуатацию (аккумуляторы) батарейки и токопроводящей пленку генератора информационной энтропии

Заключение

Проектная команда Кулон-17 благодарит Вас за внимание к нашей проекту – аппаратному генератору случайных символов.

Мы рады были окунуть Вас в мир компьютерных устройств ввода данных и как могли постарались вместе с Вами с новой точки зрения взглянуть на привычное всем нам устройство – клавиатуру компьютера.

Мы искренне надеемся, что затраченное время проведено с пользой!

 

Инженеры-конструкторы Лисютин П. и Бунятов К.

 

Приложение №2

Результаты тестирования --- В разработке

Команда: «Кулон 17»

в составеинженеров-конструкторов:

1. Лисютина П.А.,

2. Бунятова К.К.

 

Москва,

2017 год

Содержание

Введение…………………………………………………………………..……стр.3

Научная новизна и актуальность проекта……………………………………стр.6

Практическая реализуемость и текущая стадия реализации, место реализации проекта…………………………………………………………………………стр.7

Предварительные экономические показатели (сроки реализации, ориентировочный объем инвестиций)………………………………….....стр.8

Основные конкурентные преимущества………………………………….стр.10

Ожидание от конкурса – как он поможет в реализации проекта?............стр.12

Заключение…………………………………………………………………...стр.12

Список использованных источников информации………………………..стр.13

Приложение №1 Глоссарий используемых понятий……………………..стр.14

Приложение №2 Результаты тестирования………………………………..стр.15

Введение

Созданиеаппаратного генератора случайных чисел (далее «символов»* т.к. устройство способно генерировать помимочисел из множества {0:9} весь существующий набор символов ASCII, и служебных команд из комбинации нескольких (>=2)клавиш) произошло у нас как увлекательное дополнениенашего основного творческого процесса - работы конструкторами радиоэлектронной аппаратуры.

В целях приобретения дополнительной (помимо работы) практики конструирования радиоэлектронных устройств мы начали изучать, и всячески модифицировать (в том числе в домашних условиях) существующие программно-аппаратные устройства для работы пользователя на компьютере (здесь по смыслу «устройства ввода» - см. Приложение №1).

Мы так же пробовали создавать специализированное альтернативные устройства ввода (см. Приложение №1) в том числе модифицировали (удалили разводку топологии контактов проводников клавиш)стандартнуюклавиатуруQWERTY (ЙЦУКЕНГ).

Нам показалось интересным не тождественность количества клавиш на имеющейся у нас в наличии клавиатуре со стандартной раскладкой(104 клавишиQWERTY (ЙЦУКЕНГ)) -количествувозможных комбинаций замыкания сигнальных выводов микроконтроллера на печатной плате используемого экземпляра клавиатуры.

Возникла гипотеза о том, что некоторые дополнительные возможности взаимодействия пользователя с компьютером присутствуют уже в самих аппаратных реализациях устройств, работающих через протоколы ввода-вывода данных (интерфейсах USB(1.0-3.0) и PS/2).

*Примечание: В целях избежание разночтения в понимании излагаемой информации в части используемых в проект понятий мы привели (в Приложении №1) глоссарий основных понятий с которыми рекомендуем ознакомиться перед началом чтения.

Опытным путем проверили наше предположение последовательностью случайных(по времени и присвоенным номерам контактов)замыканий контактов сигнальных выводов модифицированного (без корпуса) устройства ввода. Выяснили, что срабатыванию клавиши соответствует замыкание некоторых двух контактов из топологии проводников микросхемы.

Простое арифметическое вычисление – позволилополучить следующие данные:

Таблица 1 – Сравнение возможного количества ввода символов (команд) стандартной и модифицированной клавиатур.

Устройство ввода	Теоретически* возможное количество сигналов (команд)	Теоретически** возможное количество сигналов (команд)	Теоретически возможное*** количество сигналов(команд)
Модифицированное устройство ввода	25·(26+1)/2=325	325·24·23= 13800	325·24·23·22·21=82882800
104 клавишная клавиатура QWERTY(ЙЦУКЕНГ)	104 (количество кнопок)	104· (103)/2=5356	5356·102=5356102
Пояснение: * Соответствует нажатию одной кнопки (например, символ «=», получаемый клавишей «=» в русской раскладке или символ «+» с включенным (ранее) NumLock). ** Соответствует нажатию двух кнопок (от 3 до 4 контактов) (например, символ «+», получаемый сочетанием клавиши «Shift»+«+»). *** Соответствует нажатию трех кнопок (например, «Ctrl»+«Alt»+«Del») (замыкание 4-6 контактов). **** Тестированию проводилась клавиатура с максимальных количеством «нажатых» клавиш (режим «3KRO»), равным трем.

Результаты позволяют сделать следующий вывод: даже наличие одного единственного «для ввода невозможного» символа («невозможной» команды) открывает широкие горизонты для встраивания разработчиком в свое программное обеспечение дополнительных возможностей, что же говорить, если «несуществующих» (невозможных для нажатия) «кнопок» в стандартной клавиатуре оказывается больше чем возможных?! 

Мы постарались избежать соблазна ограничиться направлением создания модифицированных(в частности, для киберспорта) клавиатури размышляли об ином возможном спросе в модифицированных устройствах ввода (в том числе взаимодействия человек-компьютер лиц с ограниченными возможностями).

Мы обнаружили, что многие устройство давно уже изобретены, просто не имеют широкого распространения в Российской Федерации

Мы попробовали по новомувзглянуть на существующую по сей день компьютерную архитектуру Фон Неймана.

Приобретая радиодетали для нашего проекта, наше внимание привлекло электро-механическое устройство, работающее на батарейках, которое после доработки мы взяли источником («генератором») энтропии (источником «информационной энтропии» в случае конструктивного сочленения с нашим модифицированным устройством ввода), и мы стали разрабатывать механическую приставку, которая позволила бы имитировать случайное нажатие кнопок пользователем компьютера.

Мы назвали модуль «кинетическим», но по своей сути это контакт-контактный замыкатель согласно ГОСТ, своего рода «кнопка-тык».

В связи с использованием конструкции механического имитатора нажатия кнопок к нам пришла задача «создания максимальной случайности» из получаемого массива случайных чисел.

На Рисункепредставлено изображениеконтактных клемм(квадратами цветами). Разумеется «квадрат» отличается от фактической геометрии конструкции контактной площадки под контакт-контактнымзамыкателем.

Рисунок 1 - Близкий к «равновероятному случайному распределению» фрагмент общей контактной площадкиJ.

Синтезомсуществующих теоретических знаний и экспериментальным конструированием мы вывели соотношения геометрических размеров контакт-контактногозамыкателя и физически распределенной на плоскости контактной площадки «клавиш», которая позволилаприблизить «случайность»генерации (ввода) символов (команд) для некоторого «словаря»(см. Приложение №1)ограниченного количества контактов m (2<m<26) к случайной в некотором непродолжительным (около часа) временном интервале.

Подытоживая ранее сказанное, нами разработан и сконструирован действующий прототип USB аппаратного генератора случайных символов (команд) из определенного выбранного ранее самим пользователем словаря символов (команд) в течение одного часа, и продолжаем его совершенствовать.

*Примечание: замыканием 4 контактов можно получить до 8 «случайных» символов (пример словаря: «направление: вперед, назад, влево, вправо, вверх, вниз» + «движение: ускорение, замедление»).

Научная новизна и актуальность проекта

Основные применения генераторов случайных чисел (как псевдослучайных (алгоритмов), так и основанных на аналогово-цифровом «аппаратном» преобразовании существующих физических процессов):

- в расчетах (с использованием метода Монте-Карло);

- в криптографии (например при генерации электронной подписи);

- в «имитационном моделировании» (например, в беспилотных устройствах движущихся устройств, информационных системах поддержки –принятия решения).

*Примечание: (общеизвестный пример «нормализованной» контактная площадка для двух контактов (m =2) – шахматная доска.

Попробуем определить в каком случае для генерации случайных чисел (символов) достаточны сравнительно простые, встроенные в средства разработки программного обеспечения функции генерации псевдослучайных чисел (последовательности чисел), а в каком случае в качестве данных необходима «равномерная» («чистая») случайность?

Очевидно, что для создания критпостойкого сертификата шифрованного соединения клиент-сервер по протоколу https:// скорость генерации случайных символовдолжна превышать килобита (1024)зн/сек, а в информационной системе принятия решений (например стратегического планирования крупного бизнес-холдинга, экономического развития целого региона, прогнозирования рынка ценных бумаг), вероятно, может быть достаточным всего единственное значение-изменение в секунду.

Не гуманно в этом случае нанимать на работу человека, который каждую секунду подбрасывал бы монетку и вносил данные в программу. J