[發(fā)明專利]一種用于隨機數發(fā)生器中實現(xiàn)高速隨機提取的方法

有效

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• 申請日: 2018-02-02
• 公開（公告）號: CN108319448B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設計）人: 張一辰;鄭子勇;喻松;郭弘
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種用于隨機數發(fā)生器中實現(xiàn)高速隨機提取的方法，用于實現(xiàn)高效、安全的隨機數制備。其實現(xiàn)步驟如下，步驟1：根據監(jiān)控數據所計算出的安全隨機數含量；步驟2：檢查隨機提取設備的性能和資源情況，計算每次提取操作的最佳原始數據長度n，確定對應的Toeplitz矩陣大小，并構造對應的Toeplitz矩陣；步驟3：存儲n長度原始數據，根據原始數據序列每一比特的值決定Toeplitz矩陣各列之間的運算規(guī)則；步驟4：當原始數據產生速率與隨機提取速率不匹配時，調用若干個模塊并行運行步驟3。本發(fā)明通過改變矩陣運算規(guī)則，實現(xiàn)了一種用于隨機數發(fā)生器中的隨機提取方法，滿足加密應用中對實時高速安全的隨機數產生的要求。

技術領域

本發(fā)明涉及量子隨機數生成領域，特別涉及基于量子源制備真隨機數的隨機提取步驟，尤其是一種基于量子源實時估算真隨機數比率并進行低復雜度的高速實時進行隨機提取，從而產生真隨機數的方案。

背景技術

隨機數在數值模擬、統(tǒng)計抽樣、博彩、加密等領域有著廣泛的應用。它的隨機性影響著各種應用的性能。特別在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，高速實時的隨機數發(fā)生器是保證系統(tǒng)無條件安全及高性能的重要基礎。怎樣安全可靠地產生高速、真隨機的隨機序列是密碼學領域重要的研究方向，具有重要的理論研究價值和迫切的實際應用需求。量子隨機數發(fā)生器基于量子力學理論內在的隨機性，理論可證能產生具有真正不可預測性的無窮長真隨機數序列。實際加密系統(tǒng)需要高速安全的隨機數產生，然而在實際系統(tǒng)中，安全的隨機提取運行速率一直是限制系統(tǒng)整體速率的瓶頸，如何在有限的資源情況下進行低復雜度和高速的隨機提取顯得尤為重要。

現(xiàn)有的多數隨機提取方法，多基于取最低有效位和異或操作實現(xiàn)高速的隨機提取，然而，這種隨機提取方法的安全性并沒有被嚴格證明，難以保證最終所產生的隨機數的安全性。本方案基于通用散列函數中的Toeplitz Hashing方案，從理論上已被證明其安全性，可以有效消除經典噪聲的影響，從而產生安全的隨機數輸出。與此同時，先前的實現(xiàn)方案由于算法復雜度較高等原因，在實際運行時往往難以取得較高的運行速度，及隨機提取速率與隨機產生速率間有較大的差距。為了盡可能的彌補這一差距，本方案通過優(yōu)化隨機提取算法，充分調用計算平臺的并行運算性能，從而有效提高了隨機提取的速率。在計算平臺緩存資源充足的前提下，本算法有能力實現(xiàn)一種無窮快的隨機提取速率。

發(fā)明內容

(一)要解決的技術問題

針對隨機數發(fā)生器中可證安全的隨機提取速率與隨機產生速率間存在較大的差距，本發(fā)明提出了一種用于隨機數發(fā)生器中實現(xiàn)高速隨機提取的方法，是一種將Toeplitz矩陣運算轉化為矩陣列運算從而簡化運算算法復雜度的方法。這種方法可以彌補安全隨機提取速率與隨機產生之間速率不匹配的問題，有效降低提高隨機提取的算法復雜度。

(二)技術方案

本發(fā)明提供的一種用于隨機數發(fā)生器中實現(xiàn)高速隨機提取的方法，包括三個步驟：

步驟1：根據監(jiān)控數據所計算出的安全隨機數含量；

步驟2：檢查隨機提取設備的性能和資源情況，計算每次提取操作的最佳原始數據長度n，確定對應的Toeplitz矩陣大小，并構造對應的Toeplitz矩陣；

步驟3：存儲n長度原始數據，根據原始數據序列每一比特的值決定Toeplitz矩陣各列之間的運算規(guī)則；

步驟4：當原始數據產生速率與隨機提取速率不匹配時，調用若干個模塊并行運行步驟3。

上述步驟按照順序依次進行。

所述的系統(tǒng)實現(xiàn)根據監(jiān)控所得的測量數據計算測量數據中真隨機數的含量，是指預先調節(jié)系統(tǒng)參數測得所需數據，并根據最小熵公式計算所采集下來的數據中真隨機數的含量，步驟1包括如下步驟：

步驟1a：通過適當地調節(jié)系統(tǒng)中的本征光光功率以獲取多組測量數據M的方差而后通過關閉本振光以獲取多組電噪聲E的方差