[发明专利]高可靠的物理随机数发生系统及方法

说明书

本发明公开了一种高可靠的物理随机数发生系统及方法，系统包括数字驱动模块、混沌噪声采集模块、后处理模块、在线检测模块、输出模块；数字驱动模块生成数字驱动信号并发送至混沌噪声采集模块；混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；数模转换器接收将数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用模拟波形驱动各路超晶格器件产生混沌振荡；各模数转换器采样对应超晶格器件产生的混沌振荡并输出原始随机序列；后处理模块接收原始随机序列进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块，还发送至数字驱动模块供其生成数字驱动信号。本发明能够实现高速地产生物理随机数。

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，具体涉及一种高可靠的物理随机数发生系统及方法。

背景技术

随着现代信息技术的发展，信息安全性逐渐得到广泛关注，物理随机数发生器已成为现代信息系统中重要的组成部分，信息系统的安全性很大程度取决于随机数的质量与数量。尤其是在随机数质量要求较高的密码学、保密通信、信息安全等领域，从物理随机现象中提取的高速、高质量物理随机数成为宝贵资源，且对随机数发生系统产生的随机数质量和可靠性提出了苛刻的要求。

超晶格器件在一定直流偏压下，可实现电流混沌振荡，可作为一种新型的物理不可克隆函数(PUF)，在随机挑战信号作用下可产生不可预测的响应，可用于产生高质量的物理随机数。而且超晶格器件是一种强PUF，具备足够多的挑战-响应对，在有限时间内无法完全遍历。超晶格器件具有物理不可克隆性，即器件由复杂的半导体工艺制备而成，且一旦制备便不可在电学特性上被复制仿造，可以保障每一个超晶格器件具有特异性的挑战-响应关系。

目前的实用性物理随机数产生装置中，纯电子学实现方案受到物理器件带宽限制，仅能实现较低速率的物理随机数发生器。且在苛刻的工作环境下，难以保证系统长时间持续稳定的生产物理随机数，给信息系统安全带来隐患。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种高可靠的物理随机数发生系统及方法，能够实现高速地产生物理随机数。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种高可靠的物理随机数发生系统，包括：数字驱动模块、混沌噪声采集模块、后处理模块、在线检测模块、输出模块；

所述数字驱动模块生成数字驱动信号，并发送至混沌噪声采集模块；

所述混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；所述数模转换器接收将所述数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用所述模拟波形驱动各路超晶格器件，产生混沌振荡；各模数转换器分别与对应的超晶格器件相连，采样对应超晶格器件产生的混沌振荡，并输出原始随机序列；

所述后处理模块接收各模数转换器输出的原始随机序列，并分别进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；

所述在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块以提供给应用系统使用，同时还发送至所述数字驱动模块供其生成数字驱动信号。

可选地，所述数字驱动模块、后处理模块和在线检测模块均选用FPGA芯片。

可选地，所述超晶格器件与模数转换器的采样通道的数量相等。

可选地，所述在线检测模块对各组物理随机数的随机性指标进行实时检测，一旦发现某路故障，便发出报警信号。

第二方面，本发明提供了一种高可靠的物理随机数发生方法，包括以下步骤：

利用数字驱动模块生成数字驱动信号，并发送至混沌噪声采集模块，所述混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；