[发明专利]基于环形振荡器的真随机数发生器热噪声抖动估计方法

说明书

本发明公开一种基于环形振荡器的真随机数发生器热噪声抖动估计方法及电路。本方法为：1)以一定间隔内振荡信号边沿计数作为统计样本；2)计算样本平均绝对差；3)以样本平均绝对差乘以再乘以振荡信号平均半周期的结果作为计数间隔内热噪声抖动估计值4)以样本平均绝对差乘以后，再乘以采样间隔和计数间隔均值比的算数平方根，最后乘以振荡信号平均半周期的结果作为采样间隔内热噪声抖动的估计值。本方法基于样本的平均绝对差进行估计，平均绝对差计算过程中无需乘法运算。本发明可准确、快速的对基于环形振荡器的真随机数发生器的热噪声抖动进行估计，可用于评估该类真随机数发生器的真随机性以及在线检测针对该类真随机数发生器的故障攻击。

技术领域

本发明涉及一种基于环形振荡器的真随机数发生器的热噪声抖动估计方法及电路，可应用于真随机数发生器的随机性评估及针对真随机数发生器故障攻击的在线检测等领域。

背景技术

基于环形振荡器的真随机数发生器(RO-TRNG)广泛使用在安全智能卡、嵌入式密码设备、密码机等安全硬件中，为密码算法或密码协议提供随机的、不可预测的真随机数。其结构简单、易于逻辑电路实现。RO-TRNG一种可能的实现是：由奇数个反相器构成的环形振荡器1产生的频率为F的振荡信号S1_f；相同实现、频率一致的环形振荡器2产生的振荡信号S2_f，经K倍分频后得到频率为的用于采样的信号S_s，S_s通过D触发器每个周期对S1_f进行一次采样，并将采样结果作为随机数输出，如图1所示。

RO-TRNG中信号的随机行为可由随机模型刻画，在逻辑电路中的非相关噪声(主要为热噪声)及相关噪声(主要为低频的闪烁噪声)的影响下，振荡器1信号S1_f的翻转时间间隔T_f、采样信号S_s的采样时间间隔T_s随机变化，导致采样结果在{0,1}内随机变化，因此采样结果可以作为其输出的真随机数。T_f的均值μ_f、T_s的均值2Kμ_f可分别定义为S1_f的平均半周期和S_s的平均周期，因此可由振荡信号频率测得；T_f和T_s的标准差σ_f、σ_s可定义为S1_f的半周期抖动和S_s的周期抖动。由于两信号S_s和S1_f的抖动是相对的，可将S1_f等效的视为稳定信号，即T_f＝μ_f，而将S_s视为具有等效周期抖动σ，并称σ为采样间隔内总抖动。在抖动σ中，包含热噪声抖动σ^th和闪烁噪声抖动σ^fl，并且二者独立。这一等效随机模型如图2所示。

关于RO-TRNG的随机性评估理论，则是以采样间隔内抖动σ中的热噪声抖动σ^th为参数，计算出RO-TRNG的输出熵率，并以此来定量衡量RO-TRNG的真随机性。此外，在线测试电路亦可通过监控σ^th，检测是否有故障攻击对RO-TRNG进行干扰。因此有必要对总抖动中的热噪声抖动σ^th进行快速精确的评估。