CN110795063B - 一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法；所用装置包括熵源模块、熵采样模块和时钟信号；熵源模块由M个环形振荡器组成，每个环形振荡器的节点同时都作为信号输出，通过调节数字逻辑电路的工作电压，节点的输出呈现周期信号和混沌信号；熵采样模块由D触发器对各个环形振荡器中的输出信号进行量化采样，产生随机比特序列；随机比特序列在数字逻辑电路低电压状态时，产生周期信号；在数字逻辑电路高电压状态时，产生混沌信号；本发明把振荡采样法和混沌电路法结合了起来，通过调节电压控制物理随机数发生器的速率和功耗，电路结构简单，易于实现集成化小型化。

Description

一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体为一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法。
背景技术
在发展迅速的信息时代，信息安全问题备受关注，为了保证信息的安全，现代密码技术常常被应用到安全系统中。随机数在现代密码技术中有着非常重要的地位，例如：数字签名、密钥管理和几乎所有的密码协议和算法都要用到随机数。所以使用随机数的信息安全系统的安全性就一定程度上取决于随机数的随机性及安全性。
随机数发生器按其机理的不同，可分为伪随机数发生器和物理随机数发生器。伪随机数序列是由伪随机数发生器产生的，通常使用计算机结合某些确定性数学算法（如线性同余方法等）来快速生成伪随机数，而伪随机数存在周期性，可以被预测，这些特点使得伪随机数发生器难以确保加密信息的安全。与伪随机数不同，物理随机数无周期性、不可以被预测，是真正安全的。物理随机数是利用自然界的物理随机过程（称为物理熵源）来产生，例如电路热噪声、振荡器相位抖动、混沌电路等。
现有的物理随机数发生器往往都以单一随机物理过程作为参考随机源且产生随机比特序列的速率单一、功耗较大。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，提供一种功耗和速率可调的物理随机数发生装置及方法。解决现有物理随机数产生方法和装置速率单一、功耗较大的问题。
本发明是通过如下技术方案实现的。
一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法，所用装置包括熵源模块、熵采样模块和时钟信号。
所述熵源模块由M个环形振荡器组成，所述的环形振荡器由N个节点首尾相连组成闭合回路，所述N个节点包括一个二输入异或非逻辑门构成的节点以及N-1个二输入异或逻辑门构成的节点，每个节点的两个输入由相邻两个节点提供，经逻辑运算后又分别反馈给相邻两个节点，所述每个环形振荡器的节点作为信号输出，通过调节数字逻辑电路的工作电压，节点的输出呈现周期信号和混沌信号。
所述熵采样模块中D触发器对各个环形振荡器中的输出信号进行量化采样，所述M输入异或门具有与M个节点一一对应的M个输入端，每个输入端连接与其对应的熵源模块中的一个节点的输出端，每个D触发器的时钟信号输入端均用于输入时钟信号，所述的M输入异或逻辑门对随机数进行异或纠偏，产生随机比特序列；所述的随机比特序列具有低电压信号来源和高电压信号来源，所述的低电压信号来源是在数字逻辑电路低电压状态时，通过M个环形振荡器产生周期信号；所述的高电压信号来源是在数字逻辑电路高电压状态时，通过M个环形振荡器产生混沌信号；所述的N和M=1，2，3，……n。
优选的，所述的时钟信号由外部时钟提供，在数字逻辑电路低电压状态时时钟信号≤200MHz，在数字逻辑电路高电压状态时时钟信号≤1GHz。
优选的，所述的数字逻辑电路低电压状态时的电压≤1.4V，所述的数字逻辑电路高电压状态时的电压≤2.7V。
优选的，所述的熵源模块包括8个环形振荡器。
该物理随机数发生器之所以能够实现功耗和速率可调，是因为它为组合式熵源，其随机性有两个来源：物理随机数发生器工作在较低电压时，熵源模块中的环形振荡器产生周期信号，随机性来源于周期信号的相位抖动；物理随机数发生器工作在较高电压时，熵源模块中的环形振荡器产生混沌信号。
在工作电压较低时，由于熵源模块的输出信号为周期信号，此时随机数的产生方案为振荡器采样法，周期信号的相位抖动是其随机性来源。在熵采样模块中D触发器采用低频时钟信号对环形振荡器产生的高频周期信号的抖动进行采样来积累足够的随机性，较低的工作电压极大的减小物理随机数发生器的功耗水平。
在工作电压较高时，由于数字逻辑电路中逻辑门的非理想性特性以及系统噪声的影响，各个逻辑门之间的传输延时不同，节点输出混沌信号。当其工作于混沌状态时，振荡器固有的周期抖动（由逻辑门热噪声引起，抖动范围为数十ps）经混沌非线性放大增强了约2个数量级（抖动范围达数ns），产生的高熵值混沌信号可以提取高速的随机数序列。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
第一，系统全部采用数字逻辑门，电路结构简单，易于实现集成化小型化。
第二，相比于传统上单一熵源的物理随机数发生器，本发明把振荡采样法和混沌电路法结合了起来。
第三，该电路在一定范围内工作电压可调，因此通过调节电压就可控制该随机数发生器的速率和功耗。
第四，本发明将两种不同的熵源相结合，系统复杂度得到增强，同样的资源占用下，随机数发生器的输出具有更高的鲁棒性和随机性。
附图说明
图1为本发明所述物理随机数发生装置的电路结构图。
其中，100为熵源模块，201为M输入异或门，202为D触发器，300为时钟信号。
图2为本发明所述的环形振荡器结构图。
图3为本发明所述的物理随机数发生装置输出周期信号产生1Mbps物理随机数的时序图。
图4为本发明所述的物理随机数发生装置输出混沌信号产生1Gbps物理随机数的时序图。
图5为本发明所述的物理随机数发生装置产生的1Mbps物理随机数的NIST测试结果。
图6为本发明所述的物理随机数发生装置产生的1Gbps物理随机数的NIST测试结果。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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。下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
如图1和图2所示，是一种功耗和速率可调的物理随机数发生装置，包括熵源模块100、熵采样模块和时钟信号300；
熵源模块100由8个环形振荡器组成，每个环形振荡器中的节点数分别为15、18、21、24、27、30、33和36，各个节点首尾相连组成闭合回路，每个环形振荡器的节点具有一个二输入异或非逻辑门构成的节点，其余的为二输入异或逻辑门构成的节点，每个节点的两个输入由相邻两个节点提供，经逻辑运算后又分别反馈给相邻两个节点，每个环形振荡器的节点同时都作为信号输出，通过调节数字逻辑电路的工作电压，节点的输出呈现周期信号和混沌信号。
熵采样模块由D触发器202对各个环形振荡器中的输出信号进行量化采样， M输入异或门201具有与每个环形振荡器节点一一对应的输入端，每个输入端连接与其对应的熵源模块100中的一个节点的输出端，每个D触发器202的时钟信号输入端均用于输入时钟信号300，所有的二输入异或逻辑门对多路随机数进行异或纠偏，产生随机比特序列；随机比特序列具有低电压信号来源和高电压信号来源，低电压信号来源是在数字逻辑电路低电压状态时，通过8个环形振荡器产生周期信号；高电压信号来源是在数字逻辑电路高电压状态时，通过8个环形振荡器产生混沌信号。
当物理随机数发生装置工作在较低电压时，熵源模块100中的环形振荡器输出信号为周期信号。当工作在较高电压时，环形振荡器固有的周期抖动（由逻辑门热噪声引起，抖动范围为数十ps）经混沌非线性放大增强了约2个数量级（抖动范围达数ns），输出信号为混沌信号。
熵采样模块利用时钟信号300对所述环形振荡器的输出进行量化采样，输出随机性良好的随机比特序列。在物理随机数发生装置工作在低电压时，采用振荡器相位抖动采样方案，使用低频时钟信号对环形振荡器的高频周期信号的抖动进行采样，较低的工作电压意味着物理随机数发生器的功耗较小。工作在高电压时，周期信号的相位抖动经混沌的非线性放大约两个数量级，产生了高质量的混沌信号，使用高频时钟信号对混沌信号进行量化采样，较高的工作电压意味着物理随机数发生器的功耗相对较高。
在本实施例中，当物理随机数发生器电路工作在1.25V时，振荡环输出周期信号，采用1MHz的低频时钟信号300作为熵采样模块的采样时钟，将8个振荡环中的输出信号采样后进行异或纠偏，最终输出速率为1Mbit/s的随机数。
当物理随机数发生器电路工作在2.5V时，振荡环输出混沌信号。采用1GHz的高频时钟信号300作为熵采样模块的采样时钟，对8个振荡环中的输出信号采样后进行异或纠偏，即可输出速率为1Gbit/s的随机数。如图3和图4所示，分别为本发明在1MHz和1GHz时钟频率下产生物理随机数的时序图。
如图5和图6所示，分别为本发明在1MHz和1GHz时钟频率下产生随机数的NIST测试结果。本实验采集了1000组容量为1Mbit的随机数序列进行NIST测试，显著水平为0.01，要求每项测试的P-value值大于0.01，通过率大于0.9856。最终结果表明通过了该随机数测试标准，证明本方法产生的随机数随机性良好。
由上述阐述可以看到，本发明在可用宽幅工作电压的离散逻辑器件实现，通过调节电路的工作电压，即可调整物理随机数发生器的功耗和产生速率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法，其特征在于，所用装置包括熵源模块（100）、熵采样模块和时钟信号（300）；
所述熵源模块（100）由M个环形振荡器组成，所述的环形振荡器由N个节点首尾相连组成闭合回路，所述N个节点包括一个二输入异或非逻辑门构成的节点以及N-1个二输入异或逻辑门构成的节点，每个节点的两个输入由相邻两个节点提供，经逻辑运算后又分别反馈给相邻两个节点，所述每个环形振荡器的节点作为信号输出，通过调节数字逻辑电路的工作电压，节点的输出呈现周期信号和混沌信号；
所述熵采样模块中D触发器（202）对各个环形振荡器中的输出信号进行量化采样，所述M输入异或门（201）具有与M个节点一一对应的M个输入端，每个输入端连接与其对应的熵源模块（100）中的一个节点的输出端，每个D触发器的时钟信号输入端均用于输入时钟信号（300），所述的M输入异或逻辑门（201）对随机数进行异或纠偏，产生随机比特序列；所述的随机比特序列具有低电压信号来源和高电压信号来源，所述的低电压信号来源是在数字逻辑电路低电压状态时，通过M个环形振荡器产生周期信号；所述的高电压信号来源是在数字逻辑电路高电压状态时，通过M个环形振荡器产生混沌信号；
所述的N和M=1，2，3，……n。
2.根据权利要求1所述的一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法，其特征在于，所述的时钟信号（300）由外部时钟提供，在数字逻辑电路低电压状态时时钟信号≤200MHz，在数字逻辑电路高电压状态时时钟信号≤1GHz。
3.根据权利要求1所述的一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法，其特征在于，所述的数字逻辑电路低电压状态时的电压≤1.4V，所述的数字逻辑电路高电压状态时的电压≤2.7V。
4.根据权利要求1所述的一种功耗和速率可调的物理随机数发生方法，其特征在于，所述的熵源模块（100）包括8个环形振荡器。
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