CN101655779B

CN101655779B - 真随机数发生器

Info

Publication number: CN101655779B
Application number: CN2008101179615A
Authority: CN
Inventors: 赵建领; 吴令安
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2028-08-18
Also published as: CN101655779A

Abstract

本发明提供一种真随机数发生器，包括光发射次模块、至少一个光接收次模块、时钟源、衰减器以及采样装置，其中，所述时钟源用于向所述光发射次模块和采样装置发送时钟信号；所述光发射次模块根据所述时钟信号发射光信号；所述光接收次模块接收所述光信号，且所述光接收次模块接收到的光功率小于或等于所述光接收次模块的探测灵敏度；所述采样装置根据所述时钟源的时钟信号和预定的阈值对所述光接收次模块的输出信号进行采样；本发明的真随机数发生器产生随机数的质量不受环境的影响，抗干扰能力强、产生的速率快、成本低，还可以采用多个光接收次模块并行工作，这样可以得到成倍的随机数输出；还可以采用TTL标准电平作为鉴别幅度，省略了噪声信号的采样比较电路，大大简化了电路结构。

Description

真随机数发生器

技术领域

本发明涉及一种真随机数发生器，特别涉及用于生成密码算法的密钥以及各种密码的高速真随机数发生器。

背景技术

在目前的市场上高质量的随机数在信息安全领域具有重要的意义，其直接应用于加密解密、身份认证、数字签名等领域，另外，商业上的彩票和赌博机也同样需要随机数来实现不可预测性。以信息安全领域的加密算法为例，其本质上便是一个随机数发生器产生随机的密钥序列，然后用这个密钥序列通过某种运算来对明文信息进行加密。因此，随机数质量的好坏直接影响到信息的安全性。如果随机数的质量不高，其呈现某种程度的可预测性，这样黑客或者其他非法用户便可以在技术上找到规律，从而破译密码。

目前，计算机以及互联网安全系统均采用伪随机数发生器，其是给定一个随机种子，然后基于某种随机算法而产生的随机序列。这种方法产生的不是真正的随机数，因为，当随机种子和随机算法给定后，所产生的每一个随机数都是确定的，可以从算法中计算出；另外，这种依靠算法的伪随机数发生器所产生的随机序列经过一定长度后会出现重复现象，随机性也就降低了。对于需要高度安全的系统来说，伪随机数在随机性和安全性方面都不够好。

目前，有些厂商或者研究机构利用自然界的随机物理现象研制和开发了各种真随机数产生设备和方法。这种方法依赖于某种物理现象的不可预测性，例如噪声、量子随机性等。中科院信息安全实验室的物理噪声源芯片DCS&DSTWNG-4便利用了电路的热燥声、接触噪声等随机噪声。目前的方法都是规定一个鉴别幅值，然后对物理噪声源进行采样，如果采样得到的信号高于规定的鉴别幅值，则输出1，否则输出0。由于物理噪声源很容易受到温度、压力等环境因素的影响，抗干扰能力比较差，其产生随机序列的均匀性和稳定性都很难控制。中国专利申请号200410091373.0“一种产生真随机数的方法及其装置”则利用强衰减激光脉冲的光子间的时间间隙的随机分布来提取真随机数，这种方法需要使用昂贵的单光子探测器，整个系统比较复杂，不便于集成和使用，而且随机数的产生速率慢，因为其受限于单光子探测器的速率。

发明内容

因此，本发明的任务是克服现有技术的缺陷，提供一种高速真随机数发生器。

本发明的真随机数发生器，包括光发射次模块如TOSA、至少一个光接收次模块如ROSA、时钟源以及采样装置，其中，

所述时钟源用于向所述光发射次模块和采样装置发送时钟信号；

所述光发射次模块根据所述时钟信号发射光信号；

所述光接收次模块接收所述光信号，且所述光接收次模块接收到的光功率小于或等于所述光接收次模块的探测灵敏度；

所述采样装置根据所述时钟源的时钟信号和预定的阈值对所述光接收次模块的输出信号进行采样，从而得到真随机数序列。

上述真随机数发生器中，还优选包括延时器，所述时钟信号经过所述延时器进行延时后，被送入所述采样装置中。

上述真随机数发生器中，还优选包括处理模块，所述处理模块根据预定的算法，对所述采样装置输出的信号进行处理。

进一步地，所述处理模块优选为可编程逻辑器件。

上述真随机数发生器中，所述预定的阈值优选为TTL标准高电平。

上述真随机数发生器中，优选包括多个所述光接收次模块，并且所述光接收次模块为并行布置。

上述真随机数发生器中，优选还包括用于对所述光发射次模块输出的激光进行衰减的衰减器，所述衰减器优选为光纤衰减器、偏振衰减器或吸收式衰减器。

本发明的优点是：

1.产生随机数的质量不受环境的影响，抗干扰能力强；

2.产生的速率快。激光组件TOSA、ROSA是光通信中的产品，最快可以达到几个GHz，如果外部采用同样频率的时钟采样则可以每秒达到1Gbit以上的随机数输出；

3.本发明还可以采用多个ROSA并行工作，这样可以得到成倍的随机数输出；

4.成本低，光电组件TOSA、ROSA成本很低，适于大规模普及和推广。

5.采用TTL标准电平作为鉴别幅度，省略了噪声或其他信号的采样比较电路，大大简化了电路结构。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为根据本发明的一种真随机数发生器的结构示意图；

图2为根据本发明的另一种真随机数发生器的结构示意图；

图3为根据本发明的又一种真随机数发生器的结构示意图；

图4为光接收次模块输出的噪声幅度信号和采样装置的输出信号；

图5为根据本发明的一种真随机数发生器的电路原理图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一种真随机数发生器的结构示意图，其包括光发射次模块(Transmitter Optical Sub-Assembly，简称TOSA)、一个光接收次模块(Receiver Optical Sub-Assembly，简称ROSA)、时钟源、衰减器以及采样装置，其中，时钟源发出的时钟信号被TOSA和采样装置所接收；TOSA根据所接收的时钟信号发射光信号，即在时钟信号的高电平位置时发射光信号，在时钟信号的低电平位置，TOSA不发光；衰减器对TOSA发出的光进行一定程度的衰减，使得衰减后的光功率小于或等于ROSA的探测灵敏度，这样使得ROSA输出的信号为毫无任何规律的噪声信号，然后再使用采样装置根据时钟信号，以设定的阈值对ROSA输出的噪声信号进行采样，得到二进制的随机数输出。

在一个实施例中，TOSA和ROSA采用世维通光通讯技术有限公司的光收发一体模块，型号为STR-013S15，该模块将TOSA和ROSA集成在一起，衰减器使用型号为利恩和通讯技术公司的0C-60型可变光纤衰减器，可对入射激光进行0-65dB的连续衰减，ROSA输出的信号如图4中的a所示，可见，该输出信号是典型的噪声信号，采样装置使用可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，简称CPLD)，并按照TTL的逻辑电平来实现对ROSA的采样，即TTL标准的高电平为预定的阈值，如果噪声信号大于TTL标准高电平，则得到采样1，否则得到采样0，采样结果如图4中的b所示。可以看到，对于ROSA输出的噪声信号，经过CPLD随机的采样为高电平(1)或低电平(0)，从而得到二进制的随机数。这里采用通用的随机数ENT检测程序对得到的一组二进制随机数进行检测。随机数ENT检测程序通过多种检测来判断随机数序列的质量，包括熵(entropy)检测、卡方(chi square)检测、算术平均值(arithmetic mean)检测、蒙特卡洛(Monte Carlo)pi值检测和序列相关系数(serial correlationcoefficient)检测。

表1给出一组共500792比特的实际采样检测结果同理想值的比较。

表1一组检测结果和理想值的比较

ENT检测项目	检测结果	理想值
			熵(entropy)检测	1.000000	l
卡方(chi square)检测	57.58％	50％
			算术平均值(arithmetic mean)检测	0.5004	0.5
蒙特卡洛(Monte Carlo)pi值检测	3.148471197偏差0.22％	3.1415926
			序列相关性(serial correlation coefficient)检测	-0.000376	0

从检测结果可以看出，得到的序列确实为随机数，随机数的质量非常好。由于TOSA和ROSA的工作频率可以高达GHz，因此随机数序列的采样速率可同样达到GHz。

当然，本领域的普通技术人员根据本实施例，还可以使用其他种类的衰减器，例如偏振衰减器或吸收式衰减器等，当然，使用衰减器来使光接收次模块所接收的光功率小于或等于光接收次模块的探测灵敏度是一个优选的方案，除此之外，还可以使用其他方式来实现，例如，控制光发射次模块输出的光功率，使其小于或等于光接收次模块的探测灵敏度，这样，即使没有衰减器也同样可以实现本发明。此外，还可通过调整阈值来改善输出二进制随机数的质量；也可以调整随机数中1或0的采样概率，这对于下面的实施例特别有用。

如图2所示的，给出了根据本发明的另一种真随机数发生器的结构示意图，同图1相比，增加了处理装置，用于对采样装置获得的随机数进行后续处理，处理方法可以使用各种已知的算法，以最终输出高质量的随机数。例如，通过交替或者随机改变0和1的定义、序列随机重排、时间间隔随机数处理等方法，来提高随机数的质量，特别是在时间间隔随机数处理中，要求输入的随机数中1或0的采样概率为小于1/10，因此，需要调整光信号的衰减量，将1或0的采样概率控制在所要求的范围内。所述算法也可以采用吴燕雯等人在《一种基于噪声的真随机数发生器的ASIC设计与实现》(《微电子学》35213(2005))一文中介绍的异或链的处理方法。该方法使用逐次移位并进行相邻值异或的方法，得到更为均匀的随机数输出。

图3示出了根据本发明的又一种真随机数发生器的结构示意图，同图1相比，在时钟源与采样装置之间增加了延时器，时钟源输出的时钟信号通过延时器进行延时后，再送入采样装置中，使用延时器可以使采样时钟和待采集的随机噪声信号对齐，并可以根据不同的延时来寻找一个最佳的采样点。

图5示出了一种根据本发明的一种真随机数发生器的电路原理图，该真随机数发生器中，P1为光收发一体模块，其中集成了TOSA和ROSA以及相应的控制电路。TD为TOSA的触发信号引脚，该引脚上加高电平信号时，TOSA发光，否则不发光；RD为ROSA输出引脚，如果接收到光则输出高电平，这里由于光经过了衰减所以其输出将是幅度和时间上随机的噪声电信号。PC1M1为晶振，即时钟源，这里采用的频率为1MHz。U1为延时器DS1000-100。U2为Altera公司的CPLD芯片EPM7032，其中EPM7032包括多个可编程逻辑单元，这里使用其BANKA单元，即U2A，另外U2D为EPM7032的电源引脚，U2E为EPM7032的接地引脚，，其中21引脚用来采样ROSA的输出引脚RD，4引脚用来输入延时后的采样时钟。CPLD的12引脚用来表示有可用的随机数输出，19引脚用来输出随机数，在12引脚的上升沿将从19引脚输出二进制随机数。通过可编程设计，U2内部还可以对采样得到的随机数通过上述的各种已知的算法进行后续处理，最终输出高质量的随机数。

在实际应用中，为了获得更高的输出速度，还可以使用多个ROSA同时采集光信号，当使用诸如CPLD等可编程逻辑器件时，可同时采样多个ROSA的输出，从而使随机数输出速度成倍增加，满足更高的速度要求，这对本领域技术人员是可以理解的，此处就不再赘述。

最后，应当说明的是，以上各实施例及其附图仅用以示例性说明本发明的真随机数发生器，但非限制。尽管参照各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种真随机数发生器，包括光发射次模块、至少一个光接收次模块、时钟源以及采样装置，其中，

所述光发射次模块根据所述时钟信号发射激光；

所述光接收次模块接收所述激光，且所述光接收次模块接收到的光功率小于或等于所述光接收次模块的探测灵敏度；

所述采样装置根据所述时钟源的时钟信号和预定的阈值对所述光接收次模块的输出信号进行采样，从而得到真随机数。

2.根据权利要求1的真随机数发生器，其特征在于，还包括延时器，所述时钟信号经过所述延时器进行延时后，被送入所述采样装置中。

3.根据权利要求1的真随机数发生器，其特征在于，还包括处理模块，所述处理模块根据预定的算法，对所述采样装置输出的信号进行处理。

4.根据权利要求3的真随机数发生器，其特征在于，所述处理模块为可编程逻辑器件。

5.根据权利要求1的真随机数发生器，其特征在于，所述预定的阈值为TTL标准高电平。

6.根据权利要求1的真随机数发生器，其特征在于，包括多个所述光接收次模块，并且所述光接收次模块为并行布置。

7.根据权利要求1的真随机数发生器，其特征在于，还包括用于对所述光发射次模块输出的光进行衰减的衰减器。

8.根据权利要求7的真随机数发生器，其特征在于，所述衰减器为光纤衰减器、偏振衰减器或吸收式衰减器。