CN112181361A - 高速物理随机数产生装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速物理随机数产生装置与方法，所述装置包括驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块；所述驱动模块产生初始挑战信号，并发送到所述超晶格模块；所述超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到所述熵提取模块；所述熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；所述输出模块输出所述真随机数至应用系统。本发明能够实现高速物理随机数的产生。
Description
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，具体涉及一种高速物理随机数产生装置与方法。
背景技术
物理随机数发生器是现代信息安全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。物理随机数是从物理随机现象中提取的高质量随机序列，具有无周期性和不可预测性，在通信、密码学、保密通信等随机数质量要求严苛的领域具有重要价值，例如可用于会话密钥、伪随机种子、密码协议挑战及空白文本填充等安全应用。
超晶格器件具有电流混沌振荡现象，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，可用产生高质量的物理随机数。而且超晶格PUF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PUF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PUF具有特异性的挑战-响应关系。
目前的物理随机数产生技术中，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。基于光学等的物理随机数发生器，虽然可以实现极高的物理随机数发生速率，但需要复杂的系统实现机制，缺乏实用性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种高速物理随机数产生装置与方法，能够实现高速物理随机数的产生。
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速物理随机数产生装置，包括：驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块；
所述驱动模块产生初始挑战信号，并发送到所述超晶格模块；
所述超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到所述熵提取模块；
所述熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到所述输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；
所述输出模块输出真随机数至应用系统。
可选地，所述超晶格模块包括顺次相连的数模转换器、超晶格器件和模数转换器。
可选地，所述响应信号为原始随机序列；所述数模转换器将接收到的挑战信号转换为模拟波形，并利用所述模拟波形驱动超晶格器件产生混沌振荡，最后由模数转换器采样所述混沌振荡，并输出原始随机序列。
可选地，所述模数转换器的采样率远低于所述混沌振荡的带宽。
可选地，所述挑战信号不包含原始随机序列的信息。
第二方面，本发明提供了一种高速物理随机数产生方法，包括：
利用驱动模块产生初始挑战信号，发送到超晶格模块；
利用超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到熵提取模块；
利用熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；
利用输出模块输出真随机数至应用系统。
可选地，所述超晶格模块包括顺次相连的数模转换器、超晶格器件和模数转换器。
可选地，所述响应信号为原始随机序列；所述数模转换器将接收到的挑战信号转换为模拟波形，并利用所述模拟波形驱动超晶格器件产生混沌振荡，最后由模数转换器采样所述混沌振荡，并输出原始随机序列。
可选地，所述模数转换器的采样率远低于所述混沌振荡的带宽。
可选地，所述挑战信号不包含所述原始随机序列的信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的驱动模块产生初始的挑战信号给超晶格模块，超晶格模块产生与之对应的响应信号(即原始随机序列)给熵提取模块，熵提取模块提取出真随机数发送给输出模块，由输出模块传输给应用系统，同时熵提取模块也会将提取的真随机数作为驱动模块的输入产生新的挑战信号给超晶格模块。因此在最初给予这种装置一个初始随机序列后，便能形成一个闭环的反馈系统，将自己产生的真随机数作为新的输入，不断地向应用系统输出随机数，实现物理随机数的高速产生。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明一种实施例的高速物理随机数产生装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的高速物理随机数产生方法的框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例中提供了一种高速物理随机数产生装置，包括：驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块；
所述驱动模块产生初始挑战信号，发送到所述超晶格模块；
所述超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到熵提取模块；
所述熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；
所述输出模块输出真随机数至应用系统。
在本实施例的一种具体实施方式中，所述超晶格模块包括顺次相连的数模转换器、超晶格器件和模数转换器。所述响应信号为原始随机序列，所述数模转换器将接收到的挑战信号转换为模拟波形，并利用所述模拟波形驱动超晶格器件产生混沌振荡，最后由模数转换器采样所述混沌振荡，并输出原始随机序列。所述熵提取模块基于原始熵源最小熵估熵结果，从原始随机序列中提取真物理随机数，以保证足熵的物理随机数输出。
所述模数转换器的采样率远低于所述混沌振荡的带宽，以保证高质量的熵源。本发明实施例中的超晶格模块是良好的物理熵源，随机性完全来源于超晶格器件的物理混沌振荡现象。物理随机数由超晶格模块在挑战信号的驱动下生成，挑战信号本身不包含原始随机序列的信息，由此保证了输出物理随机数的高质量。超晶格器件工作带宽可达GHz量级，物理熵源速率不会受到其物理带宽的限制。
由于超晶格模块所包含模拟系统的随机偏差，其输出的响应信号经由熵提取模块后，保障相同挑战信号下反馈物理随机数的不可逆差异，消除了相同挑战信号下随机数序列的相关性，生成的物理随机数不可重现。基于此，驱动模块产生初始挑战信号，并不需要额外输入随机因子作为初始值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述熵提取模块和驱动模块二者均为软件实现单元，主要是在FPGA芯片上实现的，可以使用“Intel Cyclone IV E”这一系列的FPGA芯片，可以实现300Mbps的随机数输出速率；超晶格模块包含数模转换器、超晶格以及模数转换器，在硬件上，超晶格模块的输入端与FPGA上的驱动模块的输出端相连，传输挑战信号，且超晶格模块的输出端与FPGA上的熵提取模块的输入端相连，传输原始随机序列；所述输出模块可以选用一个USB2.0接口来实现，主要是使用“cypress cy7c68013”这个芯片实现的，在硬件上与FPGA的熵提取模块的输出端相连，传输最后的真随机数，能够为信息安全系统提供使用上的便捷。所述驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块均在一块PCB板上实现。
实施例2
本发明实施例中提供了一种高速物理随机数产生方法，包括以下步骤：
(1)利用驱动模块产生初始挑战信号，发送到超晶格模块；
(2)利用超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到熵提取模块；
(3)利用熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；
(4)利用输出模块输出真随机数至应用系统；
(5)重复上述过程，即可实现连续的物理随机数生成。
在本实施例的一种具体实施方式中，如图1所示，所述超晶格模块包括顺次相连的数模转换器、超晶格器件和模数转换器。所述响应信号为原始随机序列；所述数模转换器将接收到的挑战信号转换为模拟波形，并利用所述模拟波形驱动超晶格器件产生混沌振荡，最后由模数转换器采样所述混沌振荡，并输出原始随机序列。所述的熵提取模块基于原始熵源最小熵估熵结果，从原始随机序列中提取物理随机数，以保证足熵的物理随机数输出。
所述模数转换器的采样率远低于所述混沌振荡的带宽，以保证高质量的熵源。本发明实施例中的超晶格模块是良好的物理熵源，随机性完全来源于超晶格器件的物理混沌振荡现象。物理随机数由超晶格模块在挑战信号的驱动下生成，挑战信号本身不包含原始随机序列的信息，由此保证了输出物理随机数的高质量。超晶格器件工作带宽可达GHz量级，物理熵源速率不会受到其物理带宽的限制。
由于超晶格模块所包含模拟系统的随机偏差，其输出的响应信号经由熵提取模块后，保障相同挑战信号下反馈物理随机数的不可逆差异，消除了相同挑战信号下随机数序列的相关性，生成的物理随机数不可重现。基于此，驱动模块产生初始挑战信号，并不需要额外输入随机因子作为初始值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述熵提取模块和驱动模块主要是在FPGA芯片上实现的，而在实际应用过程中，可以使用“Intel Cyclone IV E”这一系列的FPGA芯片，可以实现300Mbps的随机数输出速率；超晶格模块包含数模转换器、超晶格以及模数转换器，在硬件上，超晶格模块的输入端与FPGA上的驱动模块的输出端相连，传输挑战信号，且超晶格模块的输出端与FPGA上的熵提取模块的输入端相连，传输原始随机序列；所述输出模块可以选用一个USB2.0接口来实现，主要是使用“cypress cy7c68013”这个芯片实现的，在硬件上与FPGA的熵提取模块的输出端相连，传输最后的真随机数，能够为信息安全系统提供使用上的便捷。所述驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块均在一块PCB板上实现。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种高速物理随机数产生装置，其特征在于，包括：驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块；
所述驱动模块产生初始挑战信号，并发送到所述超晶格模块；
所述超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到所述熵提取模块；
所述熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到所述输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；
所述输出模块输出真随机数至应用系统。
2.根据权利要求1所述的一种高速物理随机数产生装置，其特征在于：所述超晶格模块包括顺次相连的数模转换器、超晶格器件和模数转换器。
3.根据权利要求2所述的一种高速物理随机数产生装置，其特征在于：所述响应信号为原始随机序列；所述数模转换器将接收到的挑战信号转换为模拟波形，并利用所述模拟波形驱动超晶格器件产生混沌振荡，最后由模数转换器采样所述混沌振荡，并输出原始随机序列。
4.根据权利要求3所述的一种高速物理随机数产生装置，其特征在于：所述模数转换器的采样率远低于所述混沌振荡的带宽。
5.根据权利要求3所述的一种高速物理随机数产生装置，其特征在于：所述挑战信号不包含原始随机序列的信息。
6.一种高速物理随机数产生方法，其特征在于，包括：
利用驱动模块产生初始挑战信号，发送到超晶格模块；
利用超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到熵提取模块；
利用熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；
利用输出模块输出真随机数至应用系统。
7.根据权利要求6所述的一种高速物理随机数产生方法，其特征在于：所述超晶格模块包括顺次相连的数模转换器、超晶格器件和模数转换器。
8.根据权利要求7所述的一种高速物理随机数产生方法，其特征在于：所述响应信号为原始随机序列；所述数模转换器将接收到的挑战信号转换为模拟波形，并利用所述模拟波形驱动超晶格器件产生混沌振荡，最后由模数转换器采样所述混沌振荡，并输出原始随机序列。
9.根据权利要求8所述的一种高速物理随机数产生方法，其特征在于：所述模数转换器的采样率远低于所述混沌振荡的带宽。
10.根据权利要求8所述的一种高速物理随机数产生方法，其特征在于：所述挑战信号不包含所述原始随机序列的信息。
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