[发明专利]随机数产生及后处理电路

说明书

技术领域

本发明涉及信息安全领域，采用纯数字电路的方法产生真随机数，并对随机数进行了后处理，使其随机数更均匀、随机性更好。具体讲,涉及新型随机数产生及后处理电路。

背景技术

20世纪90年代以来，信息技术以前所未有的速度迅速发展，信息产业引领了第三次工业革命，可以说经济社会的各个领域都离不开信息技术。近年，信息的大量传播和交流已经完全地改变了我们的生产生活方式。然而，信息传播的同时也带来了很多安全问题。密码学是解决信息安全问题的核心技术，也是唯一的技术。在密码学中，几乎所有的密码算法和协议都要用到一些对攻击者来说必须是秘密的数据，而这些秘密的数据(例如密钥)必须是随机数。因此为系统设计具有良好特性的随机数发生器(Random Number Generator,RNG)是必须首先考虑的。

从产生数据的来源来分，可将随机数分为两种，一是用确定算法得到的随机序列称为伪随机数(Pseudo Random Number Generator，PRNG)，其序列长度有限并具有可预测性；二是从物理随机过程中提取的序列称为真随机数(True Random Number Generator，TRNG)，又称为物理随机数，其随机性好并不可预测。因为真随机数的优良也行，其被广泛应用于信息安全领域。

硬件方法实现真随机数发生器主要依赖于物理元件的随机特征，例如弧光灯、原子核的射线衰变、电阻或者二极管的噪声等。真随机数发生器不像伪随机数发生器那样需要设定初始种子，所产生的随机数来源于真实的随机物理过程，因而彻底地消除了伪随机数的周期性问题，只有真随机数发生器才能提供真正的永不重复的随机数序列。目前，能够与集成电路兼容的真随机数发生器设计方法大致分为如下几类：放大电路噪声、混沌映射电路、振荡器采样以及利用电路中的亚稳态等。

基于物理随机源产生的真随机数虽然在随机性能方面比伪随机数发生器产生的随机数质量更高，但是其产生的真随机数序列的随机性不够稳定，随机数的质量不高，不能很好地满足应用需求，通常还要对随机源进行后处理,使其输出高质量的真随机序列。后处理可以起到两个作用：一是消除0/1偏差及相邻位之间的相关性，使输出具有更好的统计特性；二是通过压缩、变换等方式增加每一位输出比特所携带的熵。

参考文献

1.胡涛，郭立，黄昊，等.一种新的混沌随机数生成器实现方案[J].电子技术应用，2006，32(6):51-53.

2.罗春丽.高速真随机数发生器的设计[D].中国科学技术大学，2013.

3.周童.片上可嵌入式鲁棒真随机数发生器机理与实现技术研究[D].哈尔滨工业大学,2008.

4.Zhang X,Nie Y Q,Liang H,et al.FPGA implementation of Toeplitz hashing extractor for real time post-processing of raw random numbers[C]//Ieee-Npss Real Time Conference.IEEE,2016:1-5。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种真随机数产生及其后处理电路实现方法，使得最终所输出的随机序列具有均匀性好、独立性高等特点，提高加密技术的安全性。为此，本发明采用的技术方案是，随机数产生及后处理电路，真随机数产生电路1利用振荡采样法实现随机数输出，输出的随机数经过循环编码模块处理，保证随机序列中0和1的概率相接近；真随机数产生电路2利用亚稳态法实现另一路随机数输出，和随机数产生电路1一样也经过同样的循环编码模块处理，然后两路随机数进入安全哈希算法模块经过该模块处理后产生最终的真随机数。

真随机数产生电路1利用环形振荡器实现，环形振荡器是利用奇数个反相器连成一个环形链构成，反相器的数目为奇数，以2×T×N的周期震荡，这里N是环形链中反相器的数目，T是每一个反相器的传播延时，利用上述环形振荡器分别产生高频和低频信号，令低频信号作为D触发器时钟，高平信号作为D触发器数据输入，输出即为真随机数。