一种高速随机数产生方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术是一种高速随机数产生方法及装置，包含熵源模块和熵采样模块两部分。所述熵源模块是由数字逻辑门组成的自治布尔网络，该网络由一个异或非门（XNOR）和N‑1个异或门（XOR）组成，N值等于3n（n为正整数），熵源模块可以产生频谱宽阔且平坦的混沌信号。本发明专利技术的熵采样模块由D触发器构成，它对混沌信号进行采样、量化进而生成随机数序列。本发明专利技术产生的随机数序列可以通过随机数行业测试标准（NIST和Diehard统计测试），具有良好的随机统计特性。本发明专利技术全部由数字逻辑门组成，电路结构简单、易于集成制造；且无需常规随机数产生装置所必须的后处理算法或电路，可以极大降低其功耗水平。本发明专利技术可广泛应用在保密通信、密钥分发、数据加密等信息安全领域。

A method and device for generating high speed random numbers

The invention relates to a high-speed random number generation method and device, comprising two parts: an entropy source module and an entropy sampling module. The entropy source module is an autonomous Boolean network consisting of a digital logic gate. The network is composed of a special or non gate (XNOR) and N XOR (XOR). The N value is equal to 3N (n is a positive integer), and the entropy source module can produce a wide and flat chaotic signal with a spectrum. The entropy sampling module of the invention is composed of a D trigger, which samples and quantifies chaotic signals and generates random number sequences. The random number sequence produced by the invention can pass the random number industry test standard (NIST and Diehard statistical test), and has good random statistical characteristics. The invention is composed of digital logic gates, and the circuit structure is simple and easy to integrate and manufacture; and the post processing algorithm or circuit must not be needed for the conventional random number generation device, and the power consumption level can be greatly reduced. The invention can be widely applied in the field of information security, such as secret communication, key distribution, data encryption, and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种高速随机数产生方法及装置
本专利技术涉及集成电路领域，尤其是一种高速随机数产生方法及装置。
技术介绍
随机数在科学计算、数字通信、光纤传感、雷达测距、身份认证等领域已有重要应用。尤其，在保密通信领域，随着计算机与网络技术的迅速发展，如何保证信息安全显得异常重要。目前，很多随机数产生装置是使用计算机结合一些确定性数学算法（如线性同余方法等）来快速生成伪随机数，而伪随机数存在周期性，可以被预测，这些特点使得伪随机数发生器难以确保加密信息的安全。与伪随机数不同，物理随机数无周期性、不可以被预测，是真正安全的。物理随机数一般是利用自然界的物理随机过程（称为物理熵源）来产生，例如电路热噪声、振荡器相位抖动、混沌激光等。电路热噪声产生随机数的方法是利用电路热噪声良好的随机统计特性，通过采样、量化来产生随机数序列，但是热噪声自身的幅度较小，需要使用放大器进行放大，由于放大器并非绝对线性放大，因此放大后的噪声信号其随机性会变差；振荡器相位抖动产生随机数的方法是利用振荡器频率的不稳定性，通过低频振荡器对高频振荡器进行采样、量化来产生随机数序列，但这样产生的随机数速率过低；混沌激光产生随机数的方法是利用混沌激光的类噪声和宽频谱特性，信号强度在时域上呈现强烈的随机起伏变化，可以作为高速随机数产生的物理熵源，但混沌激光产生随机数的装置结构复杂，包含许多光学元件，不易集成；以上产生随机数的方法大部分需要后处理才能通过随机数测试，对随机数的产生和应用带来局限性。利用自治布尔网络产生随机数是近年来出现的一种物理随机数产生新方法，它是利用自治布尔网络中逻辑门器件的非理想特性（如退化效应、非线性时间延迟和短脉冲抑制等）来产生物理随机过程（如相位噪声或混沌信号），进而从中提取随机数序列的一类技术。目前利用自治布尔网络产生随机数的方法和装置多采用3输入异或非门（XNOR）和3输入异或门（XOR）构成自治布尔网络，为了提高其随机数质量，都在其专利技术的结构中都加入了后处理电路；但是这样的解决方案，既增加了随机数产生装置的电路复杂性，同时提高了装置的功耗水平。因此，专利技术一种结构简单、易于集成、功耗低、且产生随机数可通过随机数行业测试标准的高速随机数产生方法和技术具有极大的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有随机数产生方法和装置结构复杂、功耗大的缺点，提供一种高速、低功耗的物理随机数产生技术和解决方案。本专利技术所述的一种高速随机数产生方法是采用以下技术方案实现的：一种高速随机数产生方法，所用装置包括熵源模块和熵采样模块；（1）所述熵源模块（100）是由N个节点首尾相连组成环状拓扑结构，利用数字逻辑电路中逻辑门的非理想性特性以及系统噪声的影响，各个逻辑门之间的传输延时不同，各个节点的输出呈现混沌动态，作为熵源；所述N个节点包括一个异或非逻辑门构成的节点（102）以及N-1个异或逻辑门构成的节点（101）N-i，其中N、i为整数，N值等于3n，n为正整数,，i∈（1~N-1）；每个节点的两个输入端分别连接左右相邻节点的输出端；N个节点的输出端连接到熵采样模块（200），进行采样、量化；（2）所述熵采样模块（200）采用D触发器对各个节点的输出信号进行采样、量化；所述D触发器为N个并与N个节点一一对应，每个D触发器的输入端连接与其对应的熵源模块（100）中一个节点的输出端，每个D触发器的时钟信号输入端均用于输入时钟信号（300），并根据输入时钟信号（300），将熵源信号采样、量化，最后每个D触发器输出端输出具有良好随机特性的随机数序列。本专利技术包含熵源模块和熵采样模块两部分，全部由数字逻辑器件组成，结构简单且易于集成制造；此外，本专利技术的熵源模块是由1个2输入异或非门（XNOR）和N-1个2输入异或门（XOR）组成的自治布尔网络，相比采用3输入异或非门（XNOR）和3输入异或门（XOR）构成自治布尔网络，本专利技术使用2输入逻辑门器件可以极大减小功耗水平，原因在于一个3输入异或非门（XNOR）或一个3输入异或门（XOR）原理上分别需要由两个2输入异或非门或两个2输入异或门来级联构成，这就意味着在自治布尔网络中节点数量一致的情况下，本专利技术实际的逻辑门器件使用数量约为3输入逻辑门的一半左右；因此装置功耗也可以降低约一半。最后，在器件传输延迟时间上，2输入逻辑门约是3输入逻辑门的1/2；因此，随机数产生速率可提高约2倍，在实际测试中，本专利技术的单路随机数产生速度最高可至1Gbps。本专利技术所述的一种高速随机数产生装置是采用以下技术方案实现的：一种高速随机数产生装置，包括熵源模块（100）、熵采样模块（200）和提供时钟信号（300）的外部时钟；所述熵源模块（100）是由N个节点首尾相连组成环状拓扑结构，所述N个节点包括一个异或非逻辑门构成的节点（102）以及N-1个异或逻辑门构成的节点（101）N-i，其中N、i为整数，N值等于3n，n为正整数,，i∈（1~N-1）；每个节点的两个输入端分别连接左右相邻节点的输出端；N个节点的输出端连接到熵采样模块（200）；所述熵采样模块（200）采用D触发器对各个节点的输出信号进行采样、量化；所述D触发器为N个并与N个节点一一对应，每个D触发器的输入端连接与其对应的熵源模块（100）中一个节点的输出端，每个D触发器的时钟信号输入端均连接外部时钟；每个D触发器的输出端用于输出具有良好随机特性的随机数序列。熵采样模块（200）采用一级D触发器对各个节点的输出信号进行采样、量化，由于熵源模块（100）不受时钟信号驱动，所以存在不满足D触发器采样、量化的建立和保持时间的事件，导致出现亚稳态，进一步增加了系统的随机性。熵源模块N个节点中各个节点可单独输出，也可同时输出。所述熵源模块为由数字逻辑门组成环状拓扑结构的自治布尔网络，不受外部时钟信号驱动，可产生频谱宽阔且平坦的混沌信号。所述随机数产生方法及装置全部由数字逻辑门组成，电路结构简单易集成，并且功耗很低，可兼容各种不同的可编程逻辑电路。所述随机数产生方法及装置可实现集成化小型化，可广泛应用在保密通信等信息安全领域。进一步的，所述时钟信号由外部时钟信号提供，时钟信号≤1GHz。进一步的，所述熵采样模块由D触发器实现，每个D触发器存在时钟信号输入端，连接外部时钟信号；D触发器的信号输入端与熵源模块的各个节点的输出端相连。本专利技术所提供的一种高速随机数产生方法及装置，其优点与积极效果在于：第一，所产生的随机数序列不存在周期性，无需后处理，通过调节采样时钟频率即可产生0～1Gbit/s可以通过国际随机数行业测试标准(NIST和Diehard统计测试)的具有良好随机特性的随机数。第二，系统全部采用2输入异或非门和异或门构成环状拓扑结构，作为熵源，相对于采用3输入异或非门和异或门构成的熵源，具有更高的频率且功耗很低。第三，系统所述熵采样模块（200）采用一级D触发器对各个节点的输出信号进行采样、量化，由于熵源模块（100）没有时钟信号驱动，所以存在不满足D触发器采样量化的建立和保持时间的事件，导致出现亚稳态，进一步增加了系统的随机性。第四，系统全部采用数字逻辑门，电路结构简单，可兼容各种不同的可编程逻辑电路，具有普遍的适用性和灵活性。第五，该随机数产生方法及装置可实现集成化小型化，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速随机数产生方法，其特征在于，所用装置包括熵源模块（100）和熵采样模块（200）；（1）所述熵源模块（100）是由 N 个节点首尾相连组成环状拓扑结构，利用数字逻辑电路中逻辑门的非理想性特性以及系统噪声的影响，各个逻辑门之间的传输延时不同，各个节点的输出呈现混沌动态，作为熵源；所述 N 个节点包括一个异或非逻辑门构成的节点（102）以及 N‑1个异或逻辑门构成的节点（101）N‑i，其中 N、i 为整数，N 值等于 3n，n为正整数,，i ∈（1~N‑1）；每个节点的两个输入端分别连接左右相邻节点的输出端；N个节点的输出端连接到熵采样模块（200），进行采样、量化；（2）所述熵采样模块（200）采用D触发器对各个节点的输出信号进行采样、量化；所述D触发器为N个并与N 个节点一一对应，每个D触发器的输入端连接与其对应的熵源模块（100）中一个节点的输出端，每个D 触发器的时钟信号输入端均用于输入时钟信号（300），并根据输入时钟信号（300），将熵源信号采样、量化，最后每个D触发器输出端输出具有良好随机特性的随机数序列。

【技术特征摘要】
1.一种高速随机数产生方法，其特征在于，所用装置包括熵源模块（100）和熵采样模块（200）；（1）所述熵源模块（100）是由N个节点首尾相连组成环状拓扑结构，利用数字逻辑电路中逻辑门的非理想性特性以及系统噪声的影响，各个逻辑门之间的传输延时不同，各个节点的输出呈现混沌动态，作为熵源；所述N个节点包括一个异或非逻辑门构成的节点（102）以及N-1个异或逻辑门构成的节点（101）N-i，其中N、i为整数，N值等于3n，n为正整数,，i∈（1~N-1）；每个节点的两个输入端分别连接左右相邻节点的输出端；N个节点的输出端连接到熵采样模块（200），进行采样、量化；（2）所述熵采样模块（200）采用D触发器对各个节点的输出信号进行采样、量化；所述D触发器为N个并与N个节点一一对应，每个D触发器的输入端连接与其对应的熵源模块（100）中一个节点的输出端，每个D触发器的时钟信号输入端均用于输入时钟信号（300），并根据输入时钟信号（300），将熵源信号采样、量化，最后每个D触发器输出端输出具有良好...

【专利技术属性】
技术研发人员：王云才，张琪琪，张建国，王安帮，李璞，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14