[发明专利]基于自治布尔网络结构的真随机数发生器

说明书

本发明提出了一种基于自治布尔网络结构的真随机数发生器，用于解决现有真随机数发生器存在的熵源稳定性差的技术问题，包括振荡电路和采样电路，振荡电路采用N+1个逻辑门构成的自治布尔网络结构，逻辑门的一个输入端口与右邻居逻辑门的输出端口相连，另一个输入端口与左间隔k个逻辑门的输出端口相连，最后一个输入端口通过时延自反馈电路与自身的输出端口相连；采样电路包括N+1个D触发器和1个异或门，触发器的输入端口与振荡电路逻辑门的输出端口相连，异或门输入端口与触发器输出端口相连，异或门输出端口作为真随机数发生器的输出端口。本发明熵源稳定性不受节点数量的影响，随机数输出频率可达300MHZ，用于保密通信领域。

技术领域

本发明属于数字电路技术领域，涉及一种真随机数发生器，具体涉及一种基于自治布尔网络结构的真随机数发生器，可用于保密通信领域。

背景技术

随机数在密码学和信息安全系统中有着广泛的应用，它的主要用途之一是用作密钥。在现代信息安全系统中，系统的安全性完全依赖于随机数序列的生成效率和质量，因此安全性高的真随机数发生器对于密码系统是至关重要的。

常用的真随机数发生器一般由振荡电路和采样电路组成，振荡电路用于产生带噪声的模拟信号；采样电路用于对带噪声的模拟信号进行采样，输出数字信号。常用的大部分真随机数发生器由于输出信号存在0/1不均衡、游程过长等问题，需要使用后处理算法减少采样电路输出信号的缺陷，使经过后处理运算输出的二进制序列满足真随机数的要求。振荡电路通常采用直接放大噪声和抖动累加的原理提取噪声源，直接放大噪声原理中，振荡电路使用齐纳二极管放大噪声，由于齐纳二极管的反向雪崩效应，输出速率最大只能为10MHZ，采样电路必须以低于振荡电路输出速率的速率采样，采样速率较低，抖动累加原理中，振荡电路需要较长的时间累加相位抖动，采样电路的采样速率受限于抖动累加的时间，因此需要较大的采样周期，采样速率较低。此外，由于算法后处理运算复杂，需要的时间长，导致常用的由振荡电路构成的真随机数发生器的输出速率更低。

目前研究中，提出了一种基于自治布尔网络结构的真随机数发生器。一个自治布尔网络是指由许多连线相互连接的节点组成，不需要任何外部输入信号的网络结构，其中的节点通常处于为0或为1的两个布尔状态之一。在基于自治布尔网络结构的真随机数发生器中，振荡电路逻辑器件的连接结构为自治布尔网络结构，其中的多输入逻辑器件视为节点，逻辑门之间通过连线相互连接，产生随机相位噪声，网络路径延时的大小决定电路的振荡频率和是否起振，通过该结构构成的真随机数发生器有很多的优点，如速率高，成本低，电路实现简单。但是由于电路的截止频率有限，当节点数较少时，理论上产生的信号频率高于电路的截止频率，导致电路无法起振或者输出信号随机性差，经过采样后的数字化信号不能作为真随机数，因此该熵源稳定性差。例如授权公开号：CN205015881U，名称为“一种基于相位噪声的可集成真随机数产生装置”的中国专利，公开了一种由不带时钟触发的振荡电路构成的真随机数发生器，其振荡电路以自治布尔网络结构的形式连接，其中的基本逻辑器件同或门和异或门可视为节点，每个节点分别与其左邻居和右邻居相连接，并将两个间隔为k的节点做单向连接，根据自治布尔网络结构的形式可写出微分延时方程组，该方程组的解即为该结构的信号输出形式，输出信号为确定性混沌信号，频谱带宽高达1GHZ以上，振荡电路中的微小噪声提供了物理随机性，微小噪声持续扰动确定性混沌信号，因此产生高频的非确定性混沌信号，采样电路有两个信号输入端和一个信号输出端，其中一个信号输入端与差分延迟异或模块的信号输出端相连接，另一个信号输入端连接有时钟信号，采样电路的信号输出端用于输出稳定的随机比特流，解决了传统电路随机数产生方法不能直接通过随机数测试和不可集成的问题，并且大大提高了随机数的输出速率，但由于振荡电路中存在低通滤波效应，随着振荡电路中节点数的减少，振荡电路无法起振或输出信号随机性较差，熵源稳定性变差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于自治布尔网络结构的真随机数发生器，用于解决现有真随机数发生器存在的熵源稳定性差的技术问题。