CN108512656A - 一种高速足熵数字物理噪声源装置 - Google Patents

一种高速足熵数字物理噪声源装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高速足熵数字物理噪声源装置，包括：第一振荡器、第二振荡器、线性波转换器、模数转换器、熵估计电路、位宽转换器和随机数存储器。本发明通过模数转换器实现在非常短的采样间隔内收集足够多的随机量，从而显著地提高了噪声源的吞吐率；同时，利用熵估计电路和位宽转换器，在噪声源运行期间持续对其输出的熵值监控，确保了输出具有足熵特性，以提供高质量的随机数服务。而且，由于位宽转换器可以根据传来的测量结果，实时地调整满足足熵条件的位宽大小，因此增强了噪声源使用时的健壮性。

Description

一种高速足熵数字物理噪声源装置
技术领域
本发明涉及应用密码学技术领域，尤其涉及一种高速足熵数字物理噪声源装置。
背景技术
数字物理噪声源(简称噪声源，又名真随机数发生器)作为基础密码模块之一，产生的随机数可用于分组密码算法中密钥的生成、安全协议、抵抗侧信道攻击等。噪声源所含有随机性的多少直接决定了密码系统的安全性。当噪声源所含有的随机性不能满足其所在密码系统安全级别的要求时，那么密码系统将存在安全性风险，这样的系统是容易受到黑客攻击的。
在密码学中，随机性的大小通常用熵来度量。一个噪声源所含有熵的大小，是通过其产生的随机数所具有的熵来表现的。当噪声源产生的随机数所含有的平均熵值，能够满足高安全级别的密码系统所需要的熵时，则认为这样的噪声源的输出是足熵的，该噪声源符合足熵要求。量化一个噪声源具体含有的熵是多少，需要对它建立熵估计模型，即从噪声源的产生原理上建立数学模型，从而计算出其所产生的随机数理论上的熵值大小。另外，采用统计检测的方法，也可以给出随机数的近似熵。但是，这种统计上的方法是将噪声源作为黑盒处理，并不关心噪声源的内部情况(熵源结构、熵提取方法等)，而是通过其输出得到统计上的近似熵值，所以不能完全的反映噪声源的真实熵。
根据当前噪声源的研究成果，对基于振荡采样噪声源的研究相对较为成熟，其产生原理具有完备的熵估计模型。说明书附图1描述了这类噪声源的基本原理，由慢时钟(晶振或慢速振荡器)产生采样信号，经D触发器对快速振荡器产生的被采样信号，若采样点在振荡信号高电平位置，则输出比特“1”，在低电平位置，则输出比特“0”，相邻两个采样点之间的时长记为采样间隔。这种产生方法的随机性来源于电路中由噪声产生的抖动，使得采样点的位置存在不确定性，因此生成了带有随机性的比特序列。通过熵估计模型，给出理论上此类噪声源输出的平均熵计算公式：
其中，公式中v是采样间隔和被采样信号周期的比值，质量因子Q表示给定采样间隔下的抖动累积量，和被采样信号周期的均值、方差以及采样间隔v有关。根据上述公式，当采样间隔给定时，质量因子Q越大，则平均熵越大。进一步地，当质量因子Q≥0.25(实际理论值为0.21483225，为方便起见本文设定为0.25)时，可保证理论上输出的平均熵值不低于0.9999。而且，研究发现：振荡采样过程即为更新计数过程，对振荡信号周期计数的方差值近似可以表示质量因子4Q。
但是，即便是理论上得到安全性保障的噪声源，在工程实现上依然存在安全上的问题需要考虑。1、目前的噪声源在设计时，并未将现有熵估计的研究结论考虑进来，指导熵估计电路的设计，这样的噪声源无法在内部进行精确的熵估计工作。这就会造成噪声源内部的实际熵值没有得到可靠地监测，当实际熵值未达到足熵要求时，依然可能输出比特序列，并且会误以为已达到足熵。这会使密码系统存在严重的安全性风险。实际上，由于器件老化、环境(温度、湿度等)大幅度变化或是受到外界恶意攻击(如错误注入攻击)的问题，都会导致实际输出的熵值可能早已不满足密码系统的要求。2、在噪声源实现时，电路中存在的确定性干扰会作用于振荡信号的抖动上，这些干扰来自于运行环境中的供电电源等。如果在随机数生成过程中，未考虑如何消除或隔离确定性干扰的影响，那么在产生的比特序列中也存在着一定的确定性，这就大大地降低了敌手预测噪声源输出的困难性。3、如果噪声源的产生原理是采用传统采样方法，即根据采样点在被采样信号高低电平上的位置，产生比特序列。在实现时会出现被采样信号的占空比不均衡，导致此类噪声源生成的比特序列也是不均衡的。而且，在噪声源实现时，占空比不均衡的现象十分普遍，即便是理论上可以得到均衡的占空比。
除安全性以外，吞吐率是噪声源另一项重要的评价指标。基于传统振荡器结构的噪声源，由于周期抖动小，为了达到较高的安全性，吞吐率往往较低。例如，一种常见的熵提取方法是统计特定采样间隔下的被采样振荡信号的周期数，只有当抖动的积累量达到信号的一个或半个整周期时，计数值才会表现出不确定性。然而，一个周期内的抖动量远远小于周期值，这就导致采样间隔往往需要很长，因此吞吐率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种高速足熵数字物理噪声源装置，在保证输出质量的同时，高速地产生随机数，以满足高速环境下高安全级别的密码系统的使用需求。
本发明采用的技术方案是，所述高速足熵数字物理噪声源装置，包括：
第一振荡器、第二振荡器、线性波转换器、模数转换器、熵估计电路、位宽转换器和随机数存储器；
第一振荡器的输出分别发送至线性波转换器和熵估计电路；第二振荡器的输出分别发送至模数转换器和熵估计电路；线性波转换器的输出发送至模数转换器；模数转换器的输出发送至位宽转换器；熵估计电路的输出发送至位宽转换器；位宽转换器的输出发送至随机数存储器；
所述第一振荡器用于生成第一信号；
所述第二振荡器用于生成第二信号；
所述线性波转换器用于将所述第一信号转换为线性波模拟信号；
所述模数转换器用于以所述第二信号为时钟信号，将所述线性波模拟信号转化为多比特位宽数字信号；
所述熵估计电路用于以所述第二信号为时钟信号，根据所述第一信号计算出熵值估计结果；
所述位宽转换器用于根据所述熵估计结果以及预设的足熵值，判断出所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的全部比特位；
所述随机数存储器用于根据所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的每个比特位的值形成随机数，并存储所述随机数。
进一步的，所述第一振荡器和所述第二振荡器的结构相同、包含相同数量的反相器、具有相同的布线方式、放置于同一硬件平台上的相邻位置、使用同一电源并且同时启动。
进一步的，所述第一振荡器和第二振荡器均以延迟器件的形式具体实现，所述延迟器件包括：环形振荡器。
进一步的，所述线性波模拟信号为：锯齿波模拟信号或三角波模拟信号。
进一步的，所述模数转换器用于以所述第二信号为时钟信号，将所述线性波模拟信号转化为多比特位宽数字信号，包括：
当所述第二信号出现上升沿时，触发所述模数转换器从所述线性波转换器中获取所述线性波模拟信号，并将所述线性波模拟信号经过采样、量化、编码过程，转化为多比特位宽数字信号；或者，
当所述第二信号出现下降沿时，触发所述模数转换器从所述线性波转换器中获取所述线性波模拟信号，并将所述线性波模拟信号经过采样、量化、编码过程，转化为多比特位宽数字信号。
进一步的，所述熵估计电路用于以所述第二信号为时钟信号，根据所述第一信号计算出熵值估计结果，包括：
按照单沿计数规则统计在所述第二信号的周期数达到预设采样周期数的时间内，所述第一信号的周期数，并将所述统计出的周期数作为一次采样计数结果；
根据设定次数的采样计数结果，计算所述设定次数的采样计数结果在白噪声影响下的计数方差值，并将所述计数方差值作为所述熵估计电路的熵估计结果。
进一步的，所述单沿计数规则是：
每当所述第二信号出现上升沿时，周期数加1；或者，
每当所述第二信号出现下降沿时，周期数加1。
进一步的，所述位宽转换器用于根据所述熵估计结果以及预设的足熵值，判断出所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的全部比特位，包括：
根据所述熵估计结果，以及所述多比特位宽数字信号中的各个比特位之间的熵值比例关系，即相邻两个比特位之间质量因子差2M倍，通过对所述熵估计结果执行步长为M的移位操作，判断出所述多比特位宽数字信号中满足所述预设的足熵值的分辨率最低的足熵比特位；并将所述分辨率最低的足熵比特位，以及在所述多比特位宽数字信号中分辨率大于所述分辨率最低的足熵比特位的分辨率的其他比特位发送至所述随机数存储器中。
进一步的，当所述随机数存储器接收到外部的读取数据指令read时，将所述随机数输出。
进一步的，所述随机数存储器包括：先入先出型的数据缓冲器FIFO。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明所述的高速足熵数字物理噪声源装置，通过模数转换器实现在非常短的采样间隔内收集足够多的随机量，从而显著地提高了噪声源的吞吐率；同时，利用熵估计电路和位宽转换器，在噪声源运行期间持续对其输出的熵值监控，确保了输出具有足熵特性，以提供高质量的随机数服务。而且，由于位宽转换器可以根据传来的测量结果，实时地调整满足足熵条件的位宽大小，因此增强了噪声源使用时的健壮性。
附图说明
图1为现有技术的基于振荡器噪声源的产生原理的示意图；
图2为本发明实施例的高速足熵数字物理噪声源装置的组成结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明实施例，一种高速足熵数字物理噪声源装置，如图2所示，所述装置，具体包括以下组成部分：
第一振荡器201、第二振荡器202、线性波转换器203、模数转换器204、熵估计电路205、位宽转换器206和随机数存储器207。
第一振荡器201的输出分别发送至线性波转换器203和熵估计电路205；第二振荡器202的输出分别发送至模数转换器204和熵估计电路205；线性波转换器203的输出发送至模数转换器204；模数转换器204的输出发送至位宽转换器206；熵估计电路205的输出发送至位宽转换器206；位宽转换器206的输出发送至随机数存储器207。
(1)第一振荡器201用于生成第一信号。
(2)第二振荡器202用于生成第二信号。
具体的，所述第一信号的频率较高，一般为上百Mbps；所述第二信号的频率比所述第一信号的频率慢。
第一振荡器201和第二振荡器202的结构相同、包含相同数量的反相器、具有相同的布线方式、放置于同一硬件平台上的相邻位置、使用同一电源并且同时启动，使得源于供电电源和硬件平台的确定性干扰对所述两个振荡器所产生的信号的影响完全一致；因此，通过第二振荡器202生成的第二信号对第一振荡器201生成的第一信号进行采样，可以消除确定性干扰对于抖动的影响，获得了不在确定性干扰作用下的采样数据，亦防范了敌手利用确定性干扰攻击噪声源的风险。
进一步的，第一振荡器201和第二振荡器202均以延迟器件的形式具体实现，所述延迟器件包括：环形振荡器。
(3)线性波转换器203用于将所述第一信号转换为线性波模拟信号。优选的，所述线性波模拟信号为：锯齿波模拟信号或三角波模拟信号。
一般情况下，由振荡器产生的波形为正弦波或方波。然而，正弦波或方波上的电压与相位并非成单调、线性关系，因此经过模数转换器204采样后的多比特位宽数字信号的均匀性会比较差。锯齿波模拟信号的电压和相位具有单调、线性关系，可以产生均匀性好的多比特位宽数字信号。在实际应用中，若想产生完美的：锯齿波模拟信号，需要电路具有非常快速的放电速度。另外，使用电压和相位同样具有线性关系的三角波模拟信号作为模数转换器204的输入。对于单调性，经过简单地变换后就可将生成的多比特位宽数字信号等价成对锯齿波模拟信号采用后得到的数字信号。
(4)模数转换器204用于以所述第二信号为时钟信号，将所述线性波模拟信号转化为多比特位宽数字信号。
模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)是一款常用于信号处理上的器件，可以实现高速地采样。而且，由于模数转换器对抖动有非常高的灵敏度，因此在较短的采样间隔下就可以提取足够都的随机性，以保证输出的质量，从而提高噪声源的吞吐率。相比于传统采样方法，这种基于模数转换器的采样方法，在采样间隔很短时，就可以将第一信号上的不确定性体现在所述多比特位宽数字信号中，使得输出具有较高的熵值，而且，非常短的采样间隔也保证了很高的吞吐率。由于模数转换器对抖动的灵敏度很高，所以所述多比特位宽数字信号具有如下特点：1)分辨率越高的比特位，对于抖动的灵敏度越高，对应的比特数据具有更高的熵。2)若所述多比特位宽数字信号中某一特定比特位的熵是充足的那么从所述比特位起，所有灵敏度等于或高于所述比特位的平均比特率熵也是充足的。
具体的，所述模数转换器204用于以所述第二信号为时钟信号，将所述线性波模拟信号转化为多比特位宽数字信号，包括：
当所述第二信号出现上升沿时，触发所述模数转换器从所述线性波转换器中获取所述线性波模拟信号，并将所述线性波模拟信号经过采样、量化、编码过程，转化为多比特位宽数字信号；或者，
当所述第二信号出现下降沿时，触发所述模数转换器从所述线性波转换器中获取所述线性波模拟信号，并将所述线性波模拟信号经过采样、量化、编码过程，转化为多比特位宽数字信号。
(5)熵估计电路205用于以所述第二信号为时钟信号，根据所述第一信号计算出熵值估计结果。
具体的，所述熵估计电路205按照单沿计数规则统计在所述第二信号的周期数达到预设采样周期数的时间内，所述第一信号的周期数，并将所述统计出的周期数作为一次采样计数结果；
根据设定次数的采样计数结果，计算所述设定次数的采样计数结果在白噪声影响下的计数方差值，并将所述计数方差值作为所述熵估计电路的熵估计结果。所述计数方差值可以表示噪声源输出的熵值的大小，若所述计数方差值越大，则说明噪声源输出的熵值越大、噪声源的安全性越好。
在实际环境中，由计数结果直接得到的方差是受白噪声和相关噪声共同影响的；相比于在白噪声影响下的方差的计算结果，在相关噪声影响下的方差的计算结果偏大，这就会造成过高估计噪声源输出的熵值；在本实施例中，将白噪声和相关噪声影响下的计数结果的方差值分离，熵估计电路205熵估计电路205可将白噪声影响下的方差值单独计算出来，作为熵估计结果。
进一步的，所述单沿计数规则是：
每当所述第二信号出现上升沿时，周期数加1；或者，
每当所述第二信号出现下降沿时，周期数加1。
通过单沿计数规则，对第一信号的完整周期进行计数，不牵扯到一个周期内高低电平的占空比情况，因此即便在占空比不均衡的时候，经过单沿计数方法产生的随机数仍然会有良好的均衡性。
(6)位宽转换器206用于判断所述熵估计结果以及预设的足熵值，计算出所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的全部比特位。
根据所述熵估计结果，以及所述多比特位宽数字信号中的各个比特位之间的熵值比例关系，即相邻两个比特位之间质量因子差2M倍，通过对所述熵估计结果执行步长为M的移位操作，判断出所述多比特位宽数字信号中满足所述预设的足熵值的分辨率最低的足熵比特位；并将所述分辨率最低的足熵比特位，以及在所述多比特位宽数字信号中分辨率大于所述分辨率最低的足熵比特位的分辨率的其他比特位发送至所述随机数存储器中。
在本实施例中，相邻两位中，分辨率高的比特位是低的比特位质量因子的2M倍。而熵估计结果(即方差值)实则是对质量因子的测量，质量因子不低于1认为是足熵的。因此，才有通过对熵估计结果的移位操作，判断熵是否满足。另外，本实施例中得到的熵估计结果反映的是多比特位宽数字信号中分辨率最低位的熵值；可以通过调节熵估计电路中的预设采样周期数，实现对多比特位宽数字信号中其他分辨率的比特位的熵测量，也就是说预设采样周期被调节后，熵估计结果也可以反映出多比特位宽数字信号中其他分辨率的比特位所含熵值。
(7)随机数存储器207用于根据所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的每个比特位的值形成随机数，并存储所述随机数。
具体的，当随机数存储器207接收到外部的读取数据指令read时，将所述随机数输出。
进一步的，随机数存储器207包括：先入先出型的数据缓冲器FIFO。
本发明实施例中介绍的高速足熵数字物理噪声源装置，通过模数转换器实现在非常短的采样间隔内收集足够多的随机量，从而显著地提高了噪声源的吞吐率；同时，利用熵估计电路和位宽转换器，在噪声源运行期间持续对其输出的熵值监控，确保了输出具有足熵特性，以提供高质量的随机数服务。而且，由于位宽转换器可以根据传来的测量结果，实时地调整满足足熵条件的位宽大小，因此增强了噪声源使用时的健壮性。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述装置包括：
第一振荡器、第二振荡器、线性波转换器、模数转换器、熵估计电路、位宽转换器和随机数存储器；
第一振荡器的输出分别发送至线性波转换器和熵估计电路；第二振荡器的输出分别发送至模数转换器和熵估计电路；线性波转换器的输出发送至模数转换器；模数转换器的输出发送至位宽转换器；熵估计电路的输出发送至位宽转换器；位宽转换器的输出发送至随机数存储器；
所述第一振荡器用于生成第一信号；
所述第二振荡器用于生成第二信号；
所述线性波转换器用于将所述第一信号转换为线性波模拟信号；
所述模数转换器用于以所述第二信号为时钟信号，将所述线性波模拟信号转化为多比特位宽数字信号；
所述熵估计电路用于以所述第二信号为时钟信号，根据所述第一信号计算出熵值估计结果；
所述位宽转换器用于根据所述熵估计结果以及预设的足熵值，判断出所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的全部比特位；
所述随机数存储器用于根据所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的每个比特位的值形成随机数，并存储所述随机数。
2.根据权利要求1所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述第一振荡器和所述第二振荡器的结构相同、包含相同数量的反相器、具有相同的布线方式、放置于同一硬件平台上的相邻位置、使用同一电源并且同时启动。
3.根据权利要求1或2所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述第一振荡器和第二振荡器均以延迟器件的形式具体实现，所述延迟器件包括：环形振荡器。
4.根据权利要求1所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述线性波模拟信号为：锯齿波模拟信号或三角波模拟信号。
5.根据权利要求1或4所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述模数转换器用于以所述第二信号为时钟信号，将所述线性波模拟信号转化为多比特位宽数字信号，包括：
当所述第二信号出现上升沿时，触发所述模数转换器从所述线性波转换器中获取所述线性波模拟信号，并将所述线性波模拟信号经过采样、量化、编码过程，转化为多比特位宽数字信号；或者，
当所述第二信号出现下降沿时，触发所述模数转换器从所述线性波转换器中获取所述线性波模拟信号，并将所述线性波模拟信号经过采样、量化、编码过程，转化为多比特位宽数字信号。
6.根据权利要求1所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述熵估计电路用于以所述第二信号为时钟信号，根据所述第一信号计算出熵值估计结果，包括：
按照单沿计数规则统计在所述第二信号的周期数达到预设采样周期数的时间内，所述第一信号的周期数，并将所述统计出的周期数作为一次采样计数结果；
根据设定次数的采样计数结果，计算所述设定次数的采样计数结果在白噪声影响下的计数方差值，并将所述计数方差值作为所述熵估计电路的熵估计结果。
7.根据权利要求6所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述单沿计数规则是：
每当所述第二信号出现上升沿时，周期数加1；或者，
每当所述第二信号出现下降沿时，周期数加1。
8.根据权利要求1所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述位宽转换器用于根据所述熵估计结果以及预设的足熵值，判断出所述多比特位宽数字信号中满足所述足熵值的全部比特位，包括：
根据所述熵估计结果，以及所述多比特位宽数字信号中的各个比特位之间的熵值比例关系，即相邻两个比特位之间质量因子差2M倍，通过对所述熵估计结果执行步长为M的移位操作，判断出所述多比特位宽数字信号中满足所述预设的足熵值的分辨率最低的足熵比特位；并将所述分辨率最低的足熵比特位，以及在所述多比特位宽数字信号中分辨率大于所述分辨率最低的足熵比特位的分辨率的其他比特位发送至所述随机数存储器中。
9.根据权利要求1所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，当所述随机数存储器接收到外部的读取数据指令read时，将所述随机数输出。
10.根据权利要求1或9所述的高速足熵数字物理噪声源装置，其特征在于，所述随机数存储器包括：先入先出型的数据缓冲器FIFO。
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