[發(fā)明專利]一種高速真隨機數(shù)發(fā)生器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611019132.4
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN107038015B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發(fā)明（設計）人: 樊凌雁;朱亮亮;袁志東
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58;H04L9/06;H04L9/08
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 吳建鋒

本發(fā)明公開了一種高速真隨機數(shù)發(fā)生器，包括第一反饋環(huán)振真隨機源、第二反饋環(huán)振真隨機源和加密運算單元，所述第一反饋環(huán)振真隨機源用于產(chǎn)生第一隨機序列，所述第二反饋環(huán)振真隨機源用于產(chǎn)生第二隨機序列，所述加密運算單元以第一隨機序列作為明文數(shù)據(jù)且以第二隨機序列作為密鑰進行加密運算并輸出密文數(shù)據(jù)作為隨機數(shù)輸出。與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明僅由普通邏輯單元組成，極易系統(tǒng)集成；同時，采用加密的方式實現(xiàn)真隨機數(shù)發(fā)生器，通過異或鏈和DES算法將生成隨機數(shù)進行均衡校正實現(xiàn)兩種環(huán)形振蕩器產(chǎn)生隨機數(shù)的組合，最終隨機數(shù)生成速率達到400Mbit/s。

技術領域

本發(fā)明涉及真隨機數(shù)發(fā)生器領域，尤其涉及一種基于加密算法的真隨機數(shù)發(fā)生器。

背景技術

真隨機數(shù)發(fā)生器(TRNG)是信息加密設備中一個重要的組成部分，它產(chǎn)生的不可預知、不可再現(xiàn)的密鑰數(shù)字串對信息加密有著重要的作用。從某種程度上講，隨機數(shù)的隨機性和安全性決定了整個加密算法的性能和安全性?；谖锢黼S機源的真隨機數(shù)雖然在隨機序列的長度、獨立性等方面相比偽隨機數(shù)發(fā)生器得到了突破性進展，但是其產(chǎn)生的真隨機數(shù)序列的隨機性不夠穩(wěn)定，隨機數(shù)的質(zhì)量不高，生成速率也較慢。因此，現(xiàn)有技術真隨機數(shù)發(fā)生器研究的一個重要方向是基于振蕩器采樣實現(xiàn)真隨機數(shù)發(fā)生器，利用CMOS環(huán)形振蕩器中的相位噪聲及相位抖動作為隨機源，可以很方便的利用純數(shù)字電路實現(xiàn)。早期的嘗試中，F(xiàn)isher、Kohlbrenner和Tkacik等人都是采用基于時鐘信號抖動的方法，實現(xiàn)了隨機數(shù)發(fā)生器，但是隨機數(shù)的生成速率不高，通常小于1Mbit/s。隨后，Sunar等人采用等長環(huán)形振蕩器實現(xiàn)了輸出速率為2.5Mbit/s的隨機數(shù)發(fā)生器。速率低主要是由于半導體噪聲、串擾以及其他不穩(wěn)定因素需要積累到一定程度才能引起相位抖動，通過相位抖動引起每次采樣時刻的不確定性，使輸出序列具有隨機性。參見圖1，所示為現(xiàn)有技術環(huán)形振蕩器的采樣示意圖，基于傳統(tǒng)環(huán)振的真隨機數(shù)發(fā)生器采樣一般在產(chǎn)生相位抖動的地方進行，而從電路上電到發(fā)生相位抖動還需要經(jīng)歷過渡階段、穩(wěn)定振蕩階段以及噪聲影響的積累階段，實際采樣中如果采樣過快，則可能會因為噪聲積累不夠而造成隨機數(shù)質(zhì)量的降低，生成隨機數(shù)相關性增大，降低最終隨機數(shù)的隨機性。為了保證隨機性，每次相位抖動積累需要較長震蕩時間，導致生成真隨機數(shù)序列速度較慢。與此同時，噪聲在一定環(huán)境下趨于穩(wěn)定，導致了生成真隨機數(shù)序列仍具有一定相關性。為了克服上述技術問題，現(xiàn)有技術通過在環(huán)形振蕩器各個環(huán)路中增加多項式反饋環(huán)，通過反饋縮減相位抖動的積累時間，同時，在一定程度上也能夠使序列相關性減弱。比如，Goli c'首先提出了Fibonacci環(huán)形振蕩器(FIRO)和Galois(GARO)環(huán)形振蕩器的概念，參見圖2，所示為Fibonacci環(huán)形振蕩器的結構框圖，采用n個反相器連接成環(huán)形振蕩器，每個反相器的輸出端通過反饋環(huán)路反饋至第一個反相器的輸入端；參見圖3，所示為Galois環(huán)形振蕩器的結構框圖，采用n個反相器連接成環(huán)形振蕩器，第n個反相器的輸出端信號通過反饋環(huán)路反饋至每個反相器的輸入端。進一步的，等人在Goli′c的基礎上采用7個31級GARO與15級FIRO構成的熵源，經(jīng)過馮諾依曼糾偏法后處理后，能夠達到最高31.25Mbit/s的輸出速率。但是，上述電路結構中相位抖動仍然需要相當?shù)姆e累時間，導致序列速度提高有限；另外相位抖動比較小的時候輸出頻譜中可能會存在一個優(yōu)勢頻率，這會導致輸出序列具有相關性；同時采樣頻率的提高會造成序列偏置加劇，序列中0和1分布不均勻，導致隨機數(shù)質(zhì)量不佳。

故，針對目前現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，實有必要進行研究，以提供一種方案，解決現(xiàn)有技術中存在的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，確有必要提供一種高速真隨機數(shù)發(fā)生器，能夠提高隨機數(shù)的輸出速率且極大改善隨機性，從而滿足高速加密系統(tǒng)的應用需求。

為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的技術方案如下：