[發(fā)明專利]一種高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810188892.0
• 申請日: 2018-03-08
• 公開（公告）號(hào): CN108345446B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張建國;張琪琪;王云才;王安幫;李璞
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F7/58
• 分類號(hào): G06F7/58
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;曹一杰

本發(fā)明是一種高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法及裝置，包含熵源模塊和熵采樣模塊兩部分。所述熵源模塊是由數(shù)字邏輯門組成的自治布爾網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)異或非門（XNOR）和N?1個(gè)異或門（XOR）組成，N值等于3n（n為正整數(shù)），熵源模塊可以產(chǎn)生頻譜寬闊且平坦的混沌信號(hào)。本發(fā)明的熵采樣模塊由D觸發(fā)器構(gòu)成，它對混沌信號(hào)進(jìn)行采樣、量化進(jìn)而生成隨機(jī)數(shù)序列。本發(fā)明產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列可以通過隨機(jī)數(shù)行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)（NIST和Diehard統(tǒng)計(jì)測試），具有良好的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性。本發(fā)明全部由數(shù)字邏輯門組成，電路結(jié)構(gòu)簡單、易于集成制造；且無需常規(guī)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置所必須的后處理算法或電路，可以極大降低其功耗水平。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在保密通信、密鑰分發(fā)、數(shù)據(jù)加密等信息安全領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，尤其是一種高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法及裝置。

背景技術(shù)

隨機(jī)數(shù)在科學(xué)計(jì)算、數(shù)字通信、光纖傳感、雷達(dá)測距、身份認(rèn)證等領(lǐng)域已有重要應(yīng)用。尤其，在保密通信領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，如何保證信息安全顯得異常重要。

目前，很多隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置是使用計(jì)算機(jī)結(jié)合一些確定性數(shù)學(xué)算法（如線性同余方法等）來快速生成偽隨機(jī)數(shù)，而偽隨機(jī)數(shù)存在周期性，可以被預(yù)測，這些特點(diǎn)使得偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器難以確保加密信息的安全。

與偽隨機(jī)數(shù)不同，物理隨機(jī)數(shù)無周期性、不可以被預(yù)測，是真正安全的。物理隨機(jī)數(shù)一般是利用自然界的物理隨機(jī)過程（稱為物理熵源）來產(chǎn)生，例如電路熱噪聲、振蕩器相位抖動(dòng)、混沌激光等。

電路熱噪聲產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法是利用電路熱噪聲良好的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性，通過采樣、量化來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列，但是熱噪聲自身的幅度較小，需要使用放大器進(jìn)行放大，由于放大器并非絕對線性放大，因此放大后的噪聲信號(hào)其隨機(jī)性會(huì)變差；振蕩器相位抖動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法是利用振蕩器頻率的不穩(wěn)定性，通過低頻振蕩器對高頻振蕩器進(jìn)行采樣、量化來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列，但這樣產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)速率過低；混沌激光產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法是利用混沌激光的類噪聲和寬頻譜特性，信號(hào)強(qiáng)度在時(shí)域上呈現(xiàn)強(qiáng)烈的隨機(jī)起伏變化，可以作為高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的物理熵源，但混沌激光產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含許多光學(xué)元件，不易集成；以上產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法大部分需要后處理才能通過隨機(jī)數(shù)測試，對隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用帶來局限性。

利用自治布爾網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)是近年來出現(xiàn)的一種物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生新方法，它是利用自治布爾網(wǎng)絡(luò)中邏輯門器件的非理想特性（如退化效應(yīng)、非線性時(shí)間延遲和短脈沖抑制等）來產(chǎn)生物理隨機(jī)過程（如相位噪聲或混沌信號(hào)），進(jìn)而從中提取隨機(jī)數(shù)序列的一類技術(shù)。目前利用自治布爾網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法和裝置多采用3輸入異或非門（XNOR）和3輸入異或門（XOR）構(gòu)成自治布爾網(wǎng)絡(luò)，為了提高其隨機(jī)數(shù)質(zhì)量，都在其發(fā)明的結(jié)構(gòu)中都加入了后處理電路；但是這樣的解決方案，既增加了隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置的電路復(fù)雜性，同時(shí)提高了裝置的功耗水平。

因此，發(fā)明一種結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、功耗低、且產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)可通過隨機(jī)數(shù)行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)的高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法和技術(shù)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法和裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大的缺點(diǎn)，提供一種高速、低功耗的物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)和解決方案。

本發(fā)明所述的一種高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 ：

一種高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法，所用裝置包括熵源模塊和熵采樣模塊；

（1）所述熵源模塊（100）是由 N 個(gè)節(jié)點(diǎn)首尾相連組成環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用數(shù)字邏輯電路中邏輯門的非理想性特性以及系統(tǒng)噪聲的影響，各個(gè)邏輯門之間的傳輸延時(shí)不同，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出呈現(xiàn)混沌動(dòng)態(tài)，作為熵源；所述 N 個(gè)節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)異或非邏輯門構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)（102）以及 N-1個(gè)異或邏輯門構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)（101）_N-i，其中 N、i 為整數(shù)，N 值等于 3n，n為正整數(shù),，i ∈（1~N-1）；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)輸入端分別連接左右相鄰節(jié)點(diǎn)的輸出端；N個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出端連接到熵采樣模塊（200），進(jìn)行采樣、量化；