CN1208715C - 一种真随机数发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真随机数发生器，它包括：级1～级8八级分别产生一位随机数0或1的电路，寄存器和数据通道。八级电路依次按前一级的输出连接下一级的输入，最后一级输出连接第一级输入而形成环状，各级电路输出的随机数输入到寄存器，寄存器输出的8位随机数通过数据通道送往外围电路。该真随机数发生器可产生速率为160M bps的高质量真随机数。所产生的随机数可用于生成密码算法的密钥，银行客户的初始密码，自动寄存机的密码等，它的真随机性是信息安全的重要保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种真随机数发生器。具体说涉及用于生成密码算法的密钥，银行客户的初始密码，自动寄存机的密码的高速真随机数发生器。
背景技术
随机数分为伪随机数和真随机数两种。伪随机数是有一定规律可循的，周期长度为有限长的随机数；伪随机数是可预测的。真随机数一般是由模拟电路构成的真随机数发生器产生，由于在电路中引入了噪声，真随机数没有规律可循，是完全不可预测的。
由于现有大部分的加密算法是公开的，信息安全的保证就依赖于对密钥的保护；而产生密钥一般都需要用到随机数。于是，用于产生密钥的随机数就成了保证信息安全的关键。而只有完全不可预测的真随机数才能真正保证信息的安全。
国内已开发的随机数发生器有以下几种：一种是用数字电路设计的伪随机数发生器；另一种是用普通的模拟电路设计的真随机数发生器，它的速度往往比较慢，而且产生的随机数质量也不好。还有一种是基于混沌理论的模拟电路设计的真随机数发生器，必须有效防止电路进入饱和；否则，电路将脱离混沌状态，无法产生真正的真随机数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防饱和、高速的真随机数发生器。
本发明是基于混沌理论设计的真随机数发生器，它包括：级1～级8八级分别产生一位随机数0或1的电路，该八级电路依次按前一级的输出连接下一级的输入，最后一级的输出连接第一级输入而形成环状，每级电路均由运算电路和采样/保持电路组成，其中运算电路包括比较器，运算放大器，在比较器的正输入端与运算放大器的负输入端间并联连接有开关K1串联电容C1和开关K2串联电容C2的电路，在比较器的负输入端与运算放大器的正输入端间并联连接有开关K3串联电容C3和开关K4串联电容C4的电路，比较器的正、负输入端分别接输入电压Vin+，Vin-，比较器的输出端与六个控制开关K9～K14的控制端相连，其中三个控制开关K9～K11的一端分别接控制参考电压Vfs1+，Vfs2+，Vfs-，另一端与开关K2和电容C2的接点相连，另三个控制开关K12～K14的一端分别接控制参考电压Vfs1+，Vfs2+，Vfs-，另一端与开关K3和电容C3的接点相连，运算放大器的正、负输入端分别经开关K7、K8接地，在运算放大器的正输出端与开关K1和电容C1的接点间接有开关K5，运算放大器的负输出端与开关K4和电容C4的接点间接有开关K6，同时运算放大器的正、负输出端经开关K15、K16与采样/保持电路相连，所述的采样/保持电路包括运算放大器，在该运算放大器的负输入端与正输出端间接有电容C5串联开关K17后又并联开关19的电路，运算放大器的正输入端和负输出端间接有电容C6串联开关K18又并联开关K20的电路，运算放大器的正、负输出端分别接有开关K21和开关K22，各级电路中的比较器的负输出端与寄存器相连，寄存器的输出端与用于输送出8位随机数的数据通道相连。
本发明的优点是：
1)本发明的真随机数发生器可产生速率高达160M bps的真随机数，速度相当快。
2)本发明的真随机数发生器在电路中存在有噪声，因此所产生的真随机数是完全不可预测的。并且由于是基于混沌的原理，所产生的真随机数质量很高，在均匀性，相关性等质量指标上有很好的表现。
3)具有防饱和特性，本发明中的比较器能够对输入进行判断，发现电路进入饱和以后，就会输出相应的控制电平，调整电路的工作状态，使电路重新进入正常的工作状态。
附图说明
图1是本发明的真随机数发生器构成框图；
图2是真随机数发生器中的一级产生随机数的具体电路图。
具体实施方式
参照图1，图2，本发明的真随机数发生器包括：标号为1～8的级1…级8八级电路结构完全相同的电路。每级电路分别产生一位随机数0或1，该八级电路依次按前一级的输出连接下一级的输入，最后一级的输出连接第一级输入而形成环状。上述的每级产生随机数的电路均由运算电路11和采样/保持电路12组成，其中运算电路11包括比较器13，运算放大器14，在比较器13的正输入端与运算放大器14的负输入端间并联连接有开关K1串联电容C1和开关K2串联电容C2的电路，在比较器13的负输入端与运算放大器14的正输入端间并联连接有开关K3串联电容C3和开关K4串联电容C4的电路，比较器13的正、负输入端分别接输入电压Vin+，Vin-，比较器13的输出端与六个控制开关K9～K14的控制端相连，其中三个控制开关K9～K11的一端分别接控制参考电压Vfs1+，Vfs2+，Vfs-，另一端与开关K2和电容C2的接点相连，另三个控制开关K12～K14的一端分别接控制参考电压Vfs1+，Vfs2+，Vfs-，另一端与开关K3和电容C3的接点相连，运算放大器14的正、负输入端分别经开关K7、K8接地，在运算放大器14的正输出端与开关K1和电容C1的接点间接有开关K5，运算放大器14的负输出端与开关K4和电容C4的接点间接有开关K6，同时运算放大器14的正、负输出端经开关K15、K16与采样/保持电路12相连。所述的采样/保持电路12包括运算放大器15，在运算放大器15的负输入端与正输出端间接有电容C5串联开关K17后又并联开关K19的电路，在运算放大器15的正输入端和负输出端间接有电容C6串联开关K18又并联开关K20的电路，在运算放大器15的正、负输出端分别接有开关K21和开关K22。各级电路中的比较器13的负输出端与寄存器9相连，寄存器的输出端与用于输送出8位随机数的数据通道10相连。
八级电路首尾相连组成一个环状，寄存器9储存每级电路产生的一位随机数，并组成一个8位随机数通过数据通道10传送给加密模块等外部电路。运算电路11根据输入电压计算出输出电压，并由比较器13负输出端产生一位随机数传送到寄存器9。采样/保持电路12对运算电路11的输出电压进行采样和保持，使得级之间可以直接相连。
上述的运算放大器14通常采用放大倍数为1000的运算放大器。所说的开关k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9、k10、k11、k12、k13、k14、k15、k16、k17、k18、k19、k20、k21、k22可以用由CMOS传输门组成的开关。
使用时，可以将本发明作为SOC(System on Chip，片上系统)芯片的一个模块，也可以单独作为一块芯片，插在PCI卡上，将所产生的随机数通过PCI总线接口传往主机。
各级电路中的开关是在一组时钟信号Φ1，Φ21，Φ22的控制下工作的。Φ1，Φ21，Φ22是频率为20Mhz，占空比为0.5的时钟信号。其中，开关K1、K2、K3、K4、K17、K18、K21、K22由时钟信号Φ22控制，开关K5、K6、K15、K16由时钟信号Φ1控制，开关K7、K8由时钟信号Φ21控制，开关K19、K20由时钟信号Φ21的反向电平Φ21控制。在前半周期Φ21，Φ22为高电平，Φ1为低电平；在后半周期，Φ21，Φ22变为低电平，Φ1为高电平。为了防止电路的充放电效应，通常，使时钟信号Φ21比Φ22超前一段很小的时间，一般为4ns。受这组时钟的控制，电路主要工作在两个工作阶段。
1)采样阶段：运算电路11中受时钟信号Φ21控制的开关K7，K8和Φ22控制的开关K1～K 4闭合；时钟信号Φ1控制的开关K5，K6和控制参考电压的开关K9～K14则全部关断，输入电压对电容C1～C4进行充电。此时采样/饱和电路12中受时钟信号Φ22控制的四个开关K17，K18，K21，K22闭合，时钟信号Φ21控制的开关K19，K20则关断。采样饱和电路12在这个阶段将输出电压传输给下一级电路。
2)运算阶段：运算电路11中时钟信号Φ21控制的开关K7，K8和Φ22控制的开关K1～K4先后关断；然后时钟信号Φ1控制的开关K5，K6闭合，K9～K14则根据比较器13的输出来确定具体的工作状态。比较器13先判断电路的工作状态，如果电路没有进入饱和状态，当输入电压为正时，则闭合K9和K14，正向加入电压Vfs1，当输入电压为负时，闭合K11和K12，反向加入电压Vfs1。反之，如果电路已经进入了饱和状态，当输入电压为正时，则闭合K10和K14，正向加入电压Vfs2；当输入电压为负时，闭和K11和K13，反向加入电压Vfs2，从而使电路重新回到正常的工作状态。并且比较器13的负输出端上的电平0或1就作为一位随机数送往寄存器9。此时运算电路11的输出通过时钟信号Φ1控制的两个开关K15，K16与采样/饱和电路12的电容C5，C6相连，对它们充电。此时采样/饱和电路12中受时钟信号Φ21控制的开关K19，K20闭合，时钟信号Φ22控制的四个开关K17，K18，K21，K22关端，采样/饱和电路12对运算电路11的输出电压进行采样。
Claims (3)
1.一种真随机数发生器，其特征是它包括：级1～级8(1)～(8)八级分别产生一位随机数0或1的电路，该八级电路依次按前一级的输出连接下一级的输入，最后一级的输出连接第一级输入而形成环状，每级电路均由运算电路(11)和采样/保持电路(12)组成，其中运算电路(11)包括比较器(13)，运算放大器(14)，在比较器(13)的正输入端与运算放大器(14)的负输入端间并联连接有第一开关(K1)串联第一电容(C1)和第二开关(K2)串联第二电容(C2)的电路，在比较器(13)的负输入端与运算放大器(14)的正输入端间并联连接有第三开关(K3)串联第三电容(C3)和第四开关(K4)串联第四电容(C4)的电路，比较器(13)的正、负输入端分别接输入电压(Vin+，Vin-)，比较器(13)的输出端与六个控制开关(K9～K14)的控制端相连，其中三个控制开关(K9～K11)的一端分别接控制参考电压(Vfs1+，Vfs2+，Vfs-)，另一端与第二开关(K2)和第二电容(C2)的接点相连，另三个控制开关(K12～K14)的一端分别接控制参考电压(Vfs1+，Vfs2+，Vfs-)，另一端与第三开关(K3)和第三电容(C3)的接点相连，运算放大器(14)的正、负输入端分别经第七开关(K7)、第八开关(K8)接地，在运算放大器(14)的正输出端与第一开关(K1)和第一电容(C1)的接点间接有第五开关(K5)，运算放大器(14)的负输出端与第四开关(K4)和第四电容(C4)的接点间接有第六开关(K6)，同时运算放大器(14)的正、负输出端经第十五开关(K15)和第十六开关(K16)分别与采样/保持电路(12)中的接于运算放大器(15)负、正输入端的第五电容(C5)和第六电容(C6)相连，所述的采样/保持电路(12)包括运算放大器(15)，在运算放大器(15)的负输入端与正输出端间接有第五电容(C5)串联第十七开关(K17)后又并联第十九开关(K19)的电路，在运算放大器(15)的正输入端和负输出端间接有第六电容(C6)串联第十八开关(K18)又并联第二十开关(K20)的电路，在运算放大器(15)的正、负输出端分别接有第二十一开关(K21)和第二十二开关(K22)，各级电路中的比较器(13)的负输出端与寄存器(9)相连，寄存器的输出端与用于输送出8位随机数的数据通道(10)相连。
2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于所说的运算电路(11)中的运算放大器(14)是放大倍数为1000的运算放大器。
3.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于所说的第一～第二十二开关(k1)、(k2)、(k3)、(k4)、(k5)、(k6)、(k7)、(k8)、(k9)、(k10)、(k11)、(k12)、(k13)、(k14)、(k15)、(k16)、(k17)、(k18)、(k19)、(k20)、(k21)、(k22)是由CMOS传输门组成的开关。
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