CN111966330A - 一种基于文氏桥振荡器结构的真随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含有忆阻器(RRAM)的基于文氏桥振荡器结构的真随机数发生器，属于信息安全领域；本发明提供的随机数发生器包括：忆阻器分压供电模块、混沌电路模块、单片机数据采集模块；所述忆阻器分压供电模块为所述混沌电路模块进行供电，由于所述忆阻器分压供电模块提供的工作电压具有随机性，使得所述混沌电路模块产生的随机数具有随机性；所述单片机数据采集模块对所述随机数进行数据采集。实现整体混沌系统的不可预测性和不可复制，对要求较高的加密安全系统起到了重大贡献。

Description

一种基于文氏桥振荡器结构的真随机数发生器

技术领域

本发明涉及信息安全领域，尤其涉及一种含有忆阻器(RRAM)的基于文氏桥振荡器结构的真随机数发生器。

背景技术

随着大数据的网络时代的来临，信息安全变得尤为重要，密码学是解决信息安全问题的非常有效的技术。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。

目前，将随机数发生器分为两种：伪随机数发生器(Pseudo random NumberGenerator)和真随机数发生器(True random Number Generator)。其中，伪随机数发生器产生的是伪随机序列，序列通过已知的名为种子的初始值序列和固定算法产生，如果种子和算法是公开的，就可以得到完全相同的随机数。而真随机数发生器是利用了物理过程中的各种随机噪声，如噪声、振动等，可以产生不可预测的真随机数序列，因此解决了伪随机数的周期性问题，对于很多对安全系统要求较高的安全系统加密有很重要的意义。混沌状态是一种介于周期和噪声之间的一种特殊信号状态，混沌信号由于其初值敏感性和频谱宽广性，在加密、通信等实用领域得到了极为广泛的应用，因此，研究并设计随机性更好的混沌信号发生器是一项非常重要的工作。在电路系统中常见的真随机数发生器的产生方法之一就是构造一个混沌系统，利用该系统来产生随机数。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明一种基于文氏桥振荡器结构的真随机数发生器，所述随机数发生器包括：忆阻器分压供电模块、混沌电路模块、单片机数据采集模块；

所述忆阻器分压供电模块为所述混沌电路模块进行供电，由于所述忆阻器分压供电模块提供的工作电压具有随机性，使得所述混沌电路模块产生的随机数具有随机性；

所述单片机数据采集模块对所述随机数进行数据采集。

优选地，所述真随机数发生器还包括加密算法模块，所述加密算法模块依据所述随机数，通过AES加密算法对所述随机数数字序列进行加密处理生成真随机数。

优选地，所述真随机数发生器还包括箝位保护电路模块，所述箝位保护电路模块保证所述混沌电路模块输出的随机信号电压范围在0～3.3V之间，防止所述单片机数据采集模块采集数据时由于电压过高烧毁单片机。

优选地，所述混沌电路模块包括振荡网络、耦合网络和非线性网络。

优选地，所述振荡网络采用文氏桥振荡器，即RC桥式正弦波振荡器，以 RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路；所述耦合网络为RC电路，所述非线性网络采用蔡式二极管。

优选地，所述忆阻器分压供电模块还为所述单片机数据采集模块进行供电

本发明还提供了一种利用上述真随机数发生器生成真随机数的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1)：将所述忆阻器分压供电模块的忆阻器由高阻态转变为低阻态；再由低阻态转变为高阻，然后再对所述混沌电路模块进行供电；

步骤2)：所述混沌电路模块由于所述忆阻器分压供电模块提供的工作电压具有随机性，产生具有随机性的随机数；

步骤3)：所述单片机数据采集模块对所述随机数进行数据采集；

步骤4)：通过AES加密算法对所述随机数的数字序列进行加密处理生成真随机数。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明提出的含有忆阻器(RRAM)的真随机数发生器具有高加密安全性：通过系统每次上电前对忆阻器器件的高阻态重置过程，实现整体混沌系统的不可预测性和不可复制，对要求较高的加密安全系统起到了重大贡献；

2)本发明提出的含有忆阻器(RRAM)的真随机数发生器的输出随机信号稳定且使用寿命长：RRAM器件具有良好的器件数据保持特性和循环耐受性，可以持续稳定的为系统提供物理随机信号源，保证了随机数信号发生器稳定输出随机信号特性和使用寿命长的特性；

3)本发明提出的含有忆阻器(RRAM)的真随机数发生器系统可操作性强：在宽范围的系统调节参数下可以实现系统的混沌状态且此范围下的系统产生的随机数序列经过数据处理后均能通过NIST随机性测试，所以对元器件精度要求不高，易于调节、可操作性强；

4)本发明提出的含有忆阻器(RRAM)的真随机数发生器，电路系统系统简单，集成度高。

附图说明

图1本发明中混沌电路的结构框图；

图2本发明中混沌电路的电路图；

图3本发明的混沌系统的参数分岔图；

图4本发明的真随机数发生器电路设计及随机数提取方法的系统结构图；

图5本发明中电路仿真模块图---混沌电路；

图6本发明中电路仿真模块图---忆阻器分压供电模块；

图7本发明中电路仿真模块图---单片机数据采集模块；

图8本发明中电路仿真模块图---箝位电路；

图9本发明中忆阻器的I-V特性曲线图；

图10本发明中忆阻器的高阻态阻值分布图。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施例

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

现提出一种含有忆阻器(RRAM)的基于文氏桥振荡器的真随机数发生器设计，该设计产生具有不可预测性的随机数序列，可以用于加密算法、数字水印技术和密码芯片等信息安全领域。本设计中，通过忆阻器器件高阻值的随机性给混沌系统提供物理随机信号源，产生的具有完全不可预测性的真随机数为高可靠性的加密系统提供了保障。同时，RRAM器件具有良好的器件数据保持特性和循环耐受性，可以持续稳定的为系统提供物理随机信号源，保证了随机数信号发生器稳定输出随机信号特性和使用寿命长的特性。最后，该电路系统结构简单、功耗低，而且电路混沌状态参数调节范围宽，所以系统对器件的精度要求不高，易于调节。

实施例

一：文氏桥混沌电路

(1)图1为混沌系统的模型框图，图2中分别以以文氏桥振荡器为振荡网络，RC为移相网络，蔡式二极管为非线性网络的混沌电路。根据基尔霍夫电压定律(KVL)提取数学微分方程，使用数学仿真软件进行仿真，通过调节系统参数Alfa和分析系统动力学特性，找到混沌参数Alfa的范围。

如图3的系统分岔图可以看出:当Alfa<0.6时，系统处于发散状态；参数 0.6<Alfa<1.8时，系统处于单涡卷状态；参数Alfa>1.8时，系统进入双涡卷混沌状态。可以看出，系统在宽参数范围Alfa在0.6至10之间，都可以产生混沌状态。

(2)如图4系统结构图所示，对混沌模型参数进行反归一化，计算出电路系统中的器件参数；本次实施例中，如图5所示的混沌电路，文氏桥振荡器中的运放U5A采用TL084，RC串并联网络的电阻和电容均分别采用200R和47nF，反馈电路的电阻Rf和Ri分别为6.2K和3K；RC移相网络中的电阻R24选用2K 的滑动变阻器，通过调节此滑动变阻器的阻值改变电路的状态；非线性网络中采用蔡氏二极管。此设计使用电路仿真软件进行仿真，调节滑动变阻器R24阻值，最终得到和上述理论仿真相似的混沌效果图。

另外，如图6中，设计了忆阻器分压供电电路，在电路仿真时选用33K的定值电阻R2代替RRAM器件模型，并通过定值电阻在支路中的电压分压并放大后给混沌电路的运放器件供电。其中设计了稳压保护电路保护忆阻器 (RRAM)：为了防止在真实电路搭建及焊接中忆阻器在电路中因为分压过大导致器件烧毁，所以采用U1稳压管TL431并联在定值电阻R2、定值电阻R3、滑动变阻器R1的串联支路中，确保定值电阻R2的分压不超过1.2V，实现实物电路中忆阻器分压不会过大；同时，图7是混沌随机信号的单片机采集电路，图8 中设计箝位保护电路，保证混沌电路输出的随机信号电压范围在0～3.3V之间，防止单片机上电采集数据时由于电压过高烧毁单片机。

(3)使用上述电路仿真的器件参数，进行实物搭建及焊接。如图6所示，在预留的P3接线座位置接入RRAM物理器件，RRAM器件代替了仿真电路中的电阻R_忆阻，器件的I-V特性曲线如图9所示；如图9所示器件的在分压 1V的情况下，高阻态阻值主要分布在35K～60K之间，精调电路系统参数电阻 R24，得到和电路仿真相似的效果图。

(4)每次接入系统时，先对RRAM进行SET过程操作(器件由高阻态转变为低阻态的过程)，再进行RESET过程操作(器件由低阻态转变为高阻态的过程)。因为该器件的导电细丝的生长和断裂具有随机性，在加压后不同圈数的高低阻状态阻值不同，所以器件经过低阻态重置回高阻态重新接入电路的阻值是一个不确定的随机值，导致器件在电路中的分压具有随机性，此分压经过放大后提供给混沌电路的工作电压就具备了随机性。

混沌系统本身具有初值敏感性，即由于输入初值的微小差异而导致输出的巨大差别的性质。本设计是通过忆阻器分压供电模块给混沌电路提供工作电压，由于工作电压的随机性，使得混沌系统的初值具有随机性，所以系统的输出在不同工作电压下经过充分长时间迭代后会存在很大差异。因此，通过RRAM器件的物理随机性影响混沌系统的初值敏感性实现了整个系统的不可预测和不可复制，即系统产生的随机数具备真随机数的不可预测性和随机物理过程中的不可重复性。

二：随机数提取步骤

所述含有忆阻器的基于文桥氏振荡器结构的混沌电路的随机信号通过使用单片机进行采样，采样频率为200Hz，产生90M数据后存入单片机的SD卡中。

三：随机数处理步骤

利用所述单片机采样生成的具有随机性的数字序列，通过AES加密算法对数字序列进行加密处理生成真随机数。

将采集的数据分组，每组128Bit，代表待加密的每组明文B1，B2，B3......；使用存入数据的第一组128Bit数据作为密钥A，密钥A和明文B1进行AES算法加密后得到新的密钥A1，并把新的密钥A1保存到空数组C中；依次，将新的密钥A1和下一组明文B2进行AES算法加密，得到新的密钥A2，并把新密钥A2依次存入到数组C中；依次循环，直到加密完成.......得到数组C中完成加密处理的随机数序列数据。

四：随机数输出步骤

从SD卡中读取数据，发送到电脑，保存。

五：随机数测试步骤

利用NIST随机性测试套件对所述随机数输出步骤产生的随机数进行测试， NIST测试套件含15个测试项目，NIST随机性测试套件根据输入的随机数来输出每个测试项目的P值，如果所有测试项目的P值均大于0.0001，则认为该随机数的随机性符合要求。表1是实验生成的90M数据的测试结果，经过测试可知，输出的数据全部通过了15项NIST随机性测试，并且具有较高的P值，以及较高的熵(Proportion为测试90次通过的概率)。

测试结果如下表1所示：

测试编号	测试指标	P-vALUE	PROPORTION	测试结果
					1	频率测试	0.447593	0.988889	通过
2	块内频率测试	0.283402	1	通过
					3	累积和测试	0.167864	0.983333	通过
4	游程测试	0.213309	0.977778	通过
					5	最长游程测试	0.350485	0.988889	通过
6	二进制矩阵阶测试	0.427082	0.988889	通过
					7	离散傅里叶变换谱测试	0.076763	0.966667	通过
8	非重叠模块匹配测试	0.535478	0.990015	通过
					9	重叠模块匹配测试	0.167699	1	通过
10	通用统计测试	0.157643	0.977778	通过
					11	近似熵测试	0.387648	1	通过
12	随机偏离测试	0.374356	0.985294	通过
					13	随机偏离变量测试	0.478350	0.993464	通过
14	串行测试	0.637088	1	通过
					15	线性复杂度测试	0.468595	1	通过

表1

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、同等替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于文氏桥振荡器结构的真随机数发生器，其特征在于：所述随机数发生器包括：忆阻器分压供电模块、混沌电路模块、单片机数据采集模块；

所述忆阻器分压供电模块为所述混沌电路模块进行供电，由于所述忆阻器分压供电模块提供的工作电压具有随机性，使得所述混沌电路模块产生的随机数具有随机性；

所述单片机数据采集模块对所述随机数进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述真随机数发生器还包括加密算法模块，所述加密算法模块依据所述随机数，通过AES加密算法对所述随机数数字序列进行加密处理生成真随机数。

3.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述真随机数发生器还包括箝位保护电路模块，所述箝位保护电路模块保证所述混沌电路模块输出的随机信号电压范围在0～3.3V之间，防止所述单片机数据采集模块采集数据时由于电压过高烧毁单片机。

4.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述混沌电路模块包括振荡网络、耦合网络和非线性网络。

5.根据权利要求4所述的真随机数发生器，其特征在于：所述振荡网络采用文氏桥振荡器，即RC桥式正弦波振荡器，以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路；所述耦合网络为RC电路，所述非线性网络采用蔡式二极管。

6.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述忆阻器分压供电模块还为所述单片机数据采集模块进行供电。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的真随机数发生器生成真随机数的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1)：将所述忆阻器分压供电模块的忆阻器由高阻态转变为低阻态；再由低阻态转变为高阻，然后再对所述混沌电路模块进行供电；

步骤2)：所述混沌电路模块由于所述忆阻器分压供电模块提供的工作电压具有随机性，产生具有随机性的随机数；

步骤3)：所述单片机数据采集模块对所述随机数进行数据采集；

步骤4)：通过AES加密算法对所述随机数的数字序列进行加密处理生成真随机数。

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