多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)。利用多個(gè)、不同類型噪聲產(chǎn)生電路作為噪聲源，經(jīng)過(guò)選擇開關(guān)的輸入選擇，將噪聲輸入進(jìn)采樣校正電路，輸出的結(jié)果一方面進(jìn)入輸出處理模塊，另一方面進(jìn)入隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的計(jì)數(shù)，將輸出結(jié)果反饋至選擇開關(guān)，在多個(gè)噪聲產(chǎn)生電路中隨機(jī)選擇信號(hào)的輸出。在此過(guò)程中，由于多個(gè)噪聲源選擇的隨機(jī)性、采樣校正輸出的隨機(jī)性、隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)性，在整體上消除了原有單個(gè)噪聲產(chǎn)生電路由于長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)證明：利用多噪聲源、隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)反饋的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其長(zhǎng)程數(shù)據(jù)的隨機(jī)性好于原有單噪聲源實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
【專利說(shuō)明】多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用多噪聲源輸入的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，屬于信息安全系統(tǒng)中密鑰管理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是一種模擬數(shù)字混合的安全芯片，它將電路中的隨機(jī)噪聲的影響加以增強(qiáng)，采樣得到高速的隨機(jī)的“0”、“ I”序列，該序列能夠通過(guò)隨機(jī)性測(cè)試。
[0003]隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在安全信息系統(tǒng)中起著非常重要的作用，作為安全信息系統(tǒng)的核心組件，任何一部密碼機(jī)、密碼設(shè)備或者密碼協(xié)議都離不開隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。在設(shè)計(jì)精良的密碼組件中，必須有兩類亂源，一類是數(shù)學(xué)亂源，一類是物理亂源。這兩者都是不可或缺的。數(shù)學(xué)亂源可以用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)，而物理亂源必須要用數(shù)字物理噪聲源來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0004]隨機(jī)數(shù)發(fā)生器常被用作密鑰管理，其主要功能是產(chǎn)生隨機(jī)的序列來(lái)用作密鑰。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信技術(shù)的快速發(fā)展，信息在存儲(chǔ)、傳送、接收和處理過(guò)程中的安全問題已受到人們的廣泛關(guān)注，對(duì)高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)的要求也與日俱增。隨機(jī)數(shù)在信息安全系統(tǒng)中扮演著重要的角色，在基于計(jì)算機(jī)或互連網(wǎng)的通信和交易中有著廣泛的應(yīng)用。比如數(shù)據(jù)加密、密鑰管理、電子商務(wù)、數(shù)字簽名、身份鑒定以及蒙特卡羅仿真等都要用到隨機(jī)數(shù)。
[0005]對(duì)于很多加密系統(tǒng)而言，其安全性完全取決于使用的密鑰和一些協(xié)議中的參數(shù)等條件，若采用傳統(tǒng)模型產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列作為密鑰，如果攻擊者擁有足夠的計(jì)算能力，則完全可以預(yù)測(cè)到偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生規(guī)律。對(duì)于許多使用偽隨機(jī)數(shù)的安全系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于軟件方法不能保證足夠的不確定性，偽隨機(jī)數(shù)注定成為它們性能提高的瓶頸。即使一個(gè)安全系統(tǒng)的其他部件都足夠安全，使用偽隨機(jī)數(shù)也會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變得很脆弱、易受到攻擊。如果安全系統(tǒng)內(nèi)部使用的是真隨機(jī)數(shù)的話，即使攻擊者有很強(qiáng)的計(jì)算能力，并且已知所有產(chǎn)生的序列，也不能預(yù)測(cè)系統(tǒng)下一個(gè)要產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。這樣就提高了安全系數(shù)，降低了安全隱患。
[0006]國(guó)際上由于成本等多方面原因，常常使用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)。只要數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)所產(chǎn)生的隨機(jī)序列周期足夠長(zhǎng)并能通過(guò)相應(yīng)的檢驗(yàn)，就可以使用。而且由于使用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)在物理實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單，它的生成速度比用硬件實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)快得多，因而得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)使用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)，其實(shí)現(xiàn)算法顯得尤為重要。但是，由于該隨機(jī)序列由數(shù)學(xué)公式計(jì)算所產(chǎn)生。如果生成隨機(jī)數(shù)的算法確定了，那么這個(gè)隨機(jī)數(shù)序列也就確定了。所以從數(shù)學(xué)意義上講，使用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)并不隨機(jī)，屬于偽隨機(jī)數(shù)，序列本身也必然會(huì)重復(fù)。
[0007]但對(duì)于軍事及航天應(yīng)用領(lǐng)域而言，需要對(duì)通訊系統(tǒng)進(jìn)行加密，偽隨機(jī)數(shù)由于使用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)，有被破解的風(fēng)險(xiǎn)，不能滿足該領(lǐng)域應(yīng)用的需求，因而需要利用物理方式實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密。目前，隨機(jī)數(shù)的物理實(shí)現(xiàn)方式常常為對(duì)某一種自然界存在的物理噪聲進(jìn)行采樣，被采樣的噪聲可為:散粒噪聲、接觸噪聲、突發(fā)噪聲、雪崩噪聲、熱噪聲等噪聲中的一種。該種方式與之前數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)方式相比，大大提高了隨機(jī)性。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)單一噪聲源進(jìn)行采樣，長(zhǎng)時(shí)間之后還是會(huì)出現(xiàn)偽隨機(jī)性，對(duì)于需要長(zhǎng)期工作的加密設(shè)備而言，仍然存在破解風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)，本發(fā)明采用多個(gè)、不同類型噪聲產(chǎn)生電路作為噪聲源，通過(guò)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器和選擇開關(guān)形成的反饋，在多個(gè)噪聲產(chǎn)生電路中隨機(jī)選擇信號(hào)的輸出，消除了單個(gè)噪聲產(chǎn)生電路由于長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性，從而改善了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的真隨機(jī)性。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:所述多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)包括依次連接的選擇開關(guān)、采樣校正電路、輸出處理模塊，采樣校正電路的輸出還經(jīng)過(guò)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器連接選擇開關(guān)的輸入；采用多個(gè)不同類型噪聲產(chǎn)生電路作為噪聲源，輸入到選擇開關(guān)，選擇開關(guān)選擇某一個(gè)噪聲源，將噪聲輸入進(jìn)米樣校正電路，對(duì)噪聲源產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行米樣，米樣校正電路輸出的結(jié)果一方面進(jìn)入輸出處理模塊，另一方面進(jìn)入隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的計(jì)數(shù)，隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器將輸出結(jié)果反饋至選擇開關(guān)，在多個(gè)噪聲產(chǎn)生電路中隨機(jī)選擇信號(hào)的輸出。
[0010]某一個(gè)噪聲源在隨機(jī)的時(shí)間段內(nèi)，隨機(jī)發(fā)出隨機(jī)個(gè)“O”或“1”，選擇開關(guān)接收到反饋控制信號(hào)后結(jié)束當(dāng)前噪聲源信號(hào)的發(fā)送，切換至另一個(gè)噪聲源繼續(xù)工作。
[0011]所述隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器由多種觸發(fā)器(上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)、雙邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器等)隨機(jī)亂序組成，采樣開關(guān)輸出的信號(hào)輸入進(jìn)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器，并在隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器中隨機(jī)截取輸出信號(hào)，作為選擇開關(guān)的輸入信號(hào)，形成反饋控制選擇。
[0012]將多個(gè)不同種類型的觸發(fā)器隨機(jī)排序，首尾相連，再將最后一個(gè)觸發(fā)器與第一個(gè)觸發(fā)器首尾相連，組成隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器。觸發(fā)器的時(shí)鐘端都受采樣校正電路的輸出信號(hào)控制。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明的架構(gòu)利用多個(gè)噪聲源選擇的隨機(jī)性、采樣校正輸出的隨機(jī)性、隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)性，在整體上消除了原有單個(gè)噪聲產(chǎn)生電路由于長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性，從而改善了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的真隨機(jī)性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為原有單個(gè)噪聲源輸入隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的電路架構(gòu)框圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的電路架構(gòu)框圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的電路架構(gòu)示意框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0018]如圖1所示，原有單個(gè)噪聲源輸入隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的電路架構(gòu)框圖。噪聲源產(chǎn)生電路I為某一種自然界存在的物理噪聲，一般為散粒噪聲、接觸噪聲、突發(fā)噪聲、雪崩噪聲、熱噪聲等噪聲中的一種。米樣校正電路2包含:兩個(gè)上拉電阻，一個(gè)模擬開關(guān)和一個(gè)保持電容。上拉電阻的作用是給保持電容提供直流通路，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，模擬開關(guān)的作用是當(dāng)控制端為高的時(shí)候，輸入輸出導(dǎo)通，當(dāng)控制端為低電平的時(shí)候，模擬開關(guān)閉合，閉合前的電平值保持在電容上面。當(dāng)模擬開關(guān)的控制端是窄脈沖的時(shí)候，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲源的采樣。輸出處理模塊3將采樣校正電路的輸出結(jié)果整形、加速后輸出至系統(tǒng)。[0019]本發(fā)明在原有對(duì)單一噪聲源采樣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了多個(gè)、不同類型噪聲產(chǎn)生電路作為噪聲源，并通過(guò)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器和選擇開關(guān)形成的反饋，在多個(gè)噪聲產(chǎn)生電路中隨機(jī)選擇信號(hào)的輸出。
[0020]本發(fā)明的工作原理:對(duì)利用多個(gè)物理實(shí)現(xiàn)的噪聲源輸出SI (I)、SI (2)、SI (3)……通過(guò)采樣開關(guān)，選擇某一個(gè)噪聲源輸入至采樣校正電路，對(duì)噪聲源產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行采樣，其米樣結(jié)果S2 —邊輸出至輸出處理模塊,一邊輸入至隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器。由于在短時(shí)間內(nèi)采樣的“O”和“I”是隨機(jī)的，將這些隨機(jī)輸入進(jìn)由上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)、雙邊沿觸發(fā)等多種觸發(fā)器隨機(jī)亂序組成的隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器，并在計(jì)數(shù)器中隨機(jī)截取計(jì)數(shù)信號(hào)，作為噪聲源選擇開關(guān)的輸入信號(hào)，形成反饋控制選擇。該結(jié)構(gòu)能夠使某一個(gè)噪聲源在隨機(jī)的時(shí)間段內(nèi)，隨機(jī)發(fā)出隨機(jī)個(gè)“O”或“I”。選擇開關(guān)接收到反饋控制信號(hào)后結(jié)束當(dāng)前噪聲源信號(hào)的發(fā)送，切換至另一個(gè)工作原理和物理結(jié)構(gòu)完全不同的噪聲源繼續(xù)工作，從而保證該系統(tǒng)不會(huì)由于單一的噪聲源由于長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性。
[0021]如圖2所示，本發(fā)明包括依次連接的選擇開關(guān)5、采樣校正電路2、輸出處理模塊3，采樣校正電路2的輸出還經(jīng)過(guò)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6連接選擇開關(guān)5的輸入。多個(gè)噪聲源產(chǎn)生電路4的噪聲實(shí)現(xiàn)的物理機(jī)制完全不一樣，避免可能存在的一致性。其輸出S1(1)、S1(2)、SI (3)……通過(guò)帶電平控制傳輸門組成的選擇開關(guān)5進(jìn)行輸出選擇。經(jīng)過(guò)采樣校正電路2將結(jié)果S2 —方面輸出至輸出處理模塊3，另一方面輸入至隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6。該隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6由上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)、雙邊沿觸發(fā)等多種觸發(fā)器隨機(jī)亂序組成，形成隨機(jī)對(duì)“O”或“I”的計(jì)數(shù)。并且在隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6中隨機(jī)截取計(jì)數(shù)信號(hào)，形成反饋控制，作為選擇開關(guān)5的輸入信號(hào)，從而控制選擇噪聲源的輸出。
[0022]如圖3所示，隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6中包括上升沿觸發(fā)器7，下降沿觸發(fā)器8，雙邊沿觸發(fā)器9，高電平觸發(fā)器10，低電平觸發(fā)器11。將η+ I個(gè)不同種類型的觸發(fā)器隨機(jī)排序，首尾相連，組成隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6。隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6觸發(fā)器的時(shí)鐘端都受輸入信號(hào)S2控制，該信號(hào)為采樣校正電路2的輸出。當(dāng)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器6計(jì)數(shù)到一定的隨機(jī)值時(shí)，將其觸發(fā)器的結(jié)果輸出，作為開關(guān)選擇信號(hào)。在此圖中，實(shí)現(xiàn)了輸出計(jì)數(shù)為2和3的兩個(gè)開關(guān)選擇信號(hào)。在整個(gè)多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器中實(shí)現(xiàn)了對(duì)第一種噪聲源采樣一個(gè)“O”、一個(gè)“I”后切換至第二種噪聲源采樣兩個(gè)“O”、兩個(gè)“1”，再切換至下一種噪聲源。該種由隨機(jī)類型觸發(fā)器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)將第η + I個(gè)觸發(fā)器與第一個(gè)觸發(fā)器首尾相連，不但能夠隨機(jī)輸出開關(guān)選擇信號(hào)，也能循環(huán)使用，提高了電路的使用率。
[0023]通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)可以證明:利用多噪聲源、隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)反饋的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其長(zhǎng)程數(shù)據(jù)的隨機(jī)性好于原有單噪聲源實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
[0024]本發(fā)明未盡事宜屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)，其特征在于:包括依次連接的選擇開關(guān)、采樣校正電路、輸出處理模塊，采樣校正電路的輸出還經(jīng)過(guò)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器連接選擇開關(guān)的輸入；采用多個(gè)不同類型噪聲產(chǎn)生電路作為噪聲源，輸入到選擇開關(guān)，選擇開關(guān)選擇某一個(gè)噪聲源，將噪聲輸入進(jìn)采樣校正電路，對(duì)噪聲源產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣校正電路輸出的結(jié)果一方面進(jìn)入輸出處理模塊，另一方面進(jìn)入隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的計(jì)數(shù)，隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器將輸出結(jié)果反饋至選擇開關(guān)，在多個(gè)噪聲產(chǎn)生電路中隨機(jī)選擇信號(hào)的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)，其特征在于:所述隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器由多種觸發(fā)器隨機(jī)亂序組成，采樣開關(guān)輸出的信號(hào)輸入進(jìn)隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器，并在隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器中隨機(jī)截取輸出信號(hào)，作為選擇開關(guān)的輸入信號(hào)，形成反饋控制選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)，其特征在于:所述多種觸發(fā)器包括上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)、雙邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)，其特征在于:將多個(gè)不同種類型的觸發(fā)器隨機(jī)排序，首尾相連，組成隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器的時(shí)鐘端都受采樣校正電路的輸出信號(hào)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)，其特征在于:將最后一個(gè)觸發(fā)器與第一個(gè)觸發(fā)器首尾相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，2所述的多源輸入真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路架構(gòu)，其特征在于:一個(gè)噪聲源在隨機(jī)的時(shí)間段內(nèi)，隨機(jī)發(fā)出隨機(jī)個(gè)“O”或“ 1”，選擇開關(guān)接收到反饋控制信號(hào)后結(jié)束當(dāng)前噪聲源信號(hào)的發(fā)送，切換至另一個(gè)噪聲源繼續(xù)工作。
【文檔編號(hào)】G06F7/58GK103955352SQ201410202376
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】周昕杰, 于宗光, 羅靜, 王棟, 田海燕 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所