CN210222735U - 随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及随机数发生器。所述随机数发生器包括随机源产生电路、后处理电路和随机数硬件自检模块；随机源产生电路用于产生多路初始随机数，并将所述多路初始随机数合并为初步随机数序列，将所述初步随机数序列输出给所述后处理电路；后处理电路用于对输入的初步随机数序列合并为一路最终随机数序列；随机数硬件自检模块与所述随机数发生器中的随机数通道一一对应，用于监测各个随机数通道中的随机数序列；随机数通道包括：所述多路初始随机数的输出通道，所述随机源产生电路的输出通道，以及所述后处理电路的输出通道。本实用新型实施例解决了传统软件监测方式给出的监测结果存在滞后性的问题，并且简化了对监测环境要求。

Description

随机数发生器

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别是涉及随机数发生器。

背景技术

随着国家对信息安全产业的支持力度加大，安全芯片的安全性就需要等级保护。随机数发生器作为安全芯片中不可或缺的一部分，要求也越来越严格。随机数发生器是加密应用的基础，可用于产生指定安全要求的加密密钥、对抗侧信道攻击、生产初始向量、随机填充位等攻击。

输出序列的随机性是随机数发生器的安全指标的一个重要的衡量标准。一个合格的随机序列应满足如下性质：能通过正确的随机性监测，具有不可预测性，以及不能重复产生。现有的随机数发生器安全性监测方法大多采用软件方式，按照工具的要求采集随机数发生器输出的一定量的随机数据序列，接着启动软件监测工具，基于采集到的随机数据序列开始在线自检，最终给出随机数发生器的监测结果。然而随机数发生器在工作过程中，随时可能自身发生异常或者受到外部攻击，因此现有的监测方式给出的监测结果往往存在滞后性。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有监测方式给出的监测结果往往存在滞后性的问题，提供一种随机数发生器。

一方面，本实用新型实施例提供一种随机数发生器，包括随机源产生电路、后处理电路和随机数硬件自检模块；

所述随机源产生电路用于产生多路初始随机数，并将所述多路初始随机数合并为初步随机数序列，将所述初步随机数序列输出给所述后处理电路；

所述后处理电路用于对输入的初步随机数序列进行均衡处理，并输出一路最终随机数序列；

所述随机数硬件自检模块与所述随机数发生器中的随机数通道一一对应，用于监测各个随机数通道中的随机数序列；

其中，所述随机数通道包括：所述多路初始随机数的输出通道，所述随机源产生电路的输出通道，以及所述后处理电路的输出通道。

其中一个实施例中，所述随机源产生电路包括：多个混沌动力系统、多个异或链以及第一异或逻辑电路；

多个混沌动力系统的输出端连接一个异或链的输入端；多个异或链的输出端连接所述第一异或逻辑电路的输入端；所述第一异或逻辑电路的输出端连接所述随机源产生电路的输出端；

所述多路初始随机数的输出通道包括：多个混沌动力系统的输出通道，以及多个异或链的输出通道。

其中一个实施例中，所述后处理电路包括：第二异或逻辑电路和多个D触发器；所述多个D触发器级联，位于首位的D触发器的输入端连接所述后处理电路的输入端；所述多个D触发器级的输出端还分别连接所述第二异或逻辑电路的输入端；所述第二异或逻辑电路的输出端连接所述随机数发生器的输出端。

其中一个实施例中，在所述随机源产生电路中，每两个混沌动力系统连接一个异或链的输入端。

其中一个实施例中，在所述随机源产生电路中包含四个异或链，所述四个异或链的输出端均连接所述第一异或逻辑电路的输入端。

其中一个实施例中，所述后处理电路中包括128个D触发器，所述128个 D触发器级联连接。

其中一个实施例中，所述随机数硬件自检模块包括startup监测模块和online 监测模块；

所述startup监测模块，在所述随机数发生器刚刚上电或者随机数发生器从关闭转向使能时启动，用于监测对应的随机数通道输出的随机数序列；

在所述随机数发生器正常运行时，所述online监测模块运行，所述startup 监测模块停止运行；所述online监测模块用于监测对应的随机数通道输出的随机数序列；所述随机数发生器在全部startup监测模块的监测通过时，进入正常运行阶段。

其中一个实施例中，所述startup监测模块包括基于扑克监测原理的监测模块；

所述online监测模块包括基于单比特频数监测原理、游程总数监测原理或者矩阵秩监测原理的监测模块。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：在随机数发生器中增设随机数硬件自检模块，以对随机数发生器中数据源的随机性进行startup 监测和online监测两种硬件自动监测；并且分成上电初始阶段和工作过程中的实时监测，对随机数发生器进行不同阶段的不同监测。通过对随机数发生器进行硬件自检，省去了软件监测方式中需要的软件监测平台；并且增加了随机数发生器使用过程中的实时监测功能，有利于保障随机数发生器输出正常的随机数序列，提高了随机数发生器所属芯片的安全性，并且简化了监测环境要求。

附图说明

图1为一个实施例中随机数发生器的示意性结构图；

图2为另一个实施例中随机数发生器的示意性结构图；

图3为一个实施例中随机数硬件自检电路的示意性结构图；

图4为一实施例的随机数发生器的自检方法的示意性流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请提供的随机数发生器的安全性监测方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。所述随机数发生器包括：随机源产生电路、后处理电路和随机数硬件自检模块。各部分主要负责：所述随机源产生电路，用于产生多路初始随机数，并将所述多路初始随机数合并为初步随机数序列，将所述初步随机数序列输出给所述后处理电路；所述后处理电路用于对输入的初步随机数序列进行均衡处理，并输出一路最终随机数序列；所述随机数硬件自检模块与所述随机数发生器中的随机数通道一一对应，用于监测各个随机数通道中的随机数序列是否符合设定条件。

本实用新型实施例中，随机数通道不仅包含随机数发生器的最终随机数输出通道(即所述后处理电路的输出通道)，还包括多路初始随机数的输出通道；因此，在随机数发生器中，随机数通道有多个，对应地，随机数硬件自检模块也有多个，并且随机数硬件自检模块与随机数通道一一对应。可以理解的，本实用新型实施例中，在随机数发生器中，随机数硬件自检模块以硬件的方式存在的，在随机数发生器的安全性监测过程中，无需另行设置相应的软件监测平台。

参考图1所示，在一些实施例中，随机源产生电路可以进一步包括：多个混沌动力系统、多个异或链以及第一异或逻辑电路。多个混沌动力系统的输出端连接一个异或链的输入端；多个异或链的输出端连接所述第一异或逻辑电路的输入端；所述第一异或逻辑电路的输出端连接所述随机源产生电路的输出端。对应地，多路初始随机数的输出通道可以具体包括：多个混沌动力系统的输出通道，以及多个异或链的输出通道。

进一步参考图1所示，在一些实施例中，后处理电路可以进一步包括：第二异或逻辑电路和多个D触发器；所述多个D触发器级联，位于首位的D触发器的输入端连接所述后处理电路的输入端；所述多个D触发器级的输出端还分别连接所述第二异或逻辑电路的输入端；所述第二异或逻辑电路的输出端连接所述随机数发生器的输出端，用于输出随机数序列。

参考图2所示，在一些实施例中，后处理电路中包括128个D触发器(即 DFF)，所述128个D触发器级联连接，由此得到的随机数可满足国家密码局要求。

进一步地，对上述随机数发生器中各部分的说明如下：

混沌动力系统，作为随机源，每个混沌动力系统用于产生一路初始随机数；

异或链，用于对其连接的多个混沌动力系统产生的初始随机数进行合并处理，得到一路初步随机数。

通常混沌动力系统的动力因子为1.54，远小于理想的倍努利移位映射动力因子2，所以会造成信息量的丢失，故通过异或链对多个混沌动力系统产生的初始随机数进行合并，以提升输出的一路随机数的信息量，去除混沌动力系统产生的初始随机数数据中相邻位之间的相关性。在一些实施例中，参考图2所示，在随机源产生电路中，两个同样机制的混沌动力系统连接一个异或链，通过该异或链对两个混沌动力系统产生的初始随机数进行处理，得到一路初步随机数。

第一异或逻辑电路，用于将随机源产生电路输出的若干路初步随机数异或成一路；同时用于去除随机源产生电路输出的初步随机数序列中相邻位之间的相关性。

多级D触发器和所述第二异或逻辑电路构，用于保证随机数发生器输出的最终随机数序列中0和1的分布均匀性，即保证输出的最终随机数均衡分布，同时实现去除多级D触发器输出的随机数序列中相邻位之间的相关性的目的。

在一些实施例中，参考图2所示，随机源产生电路中，两个同样机制的混沌动力系统连接一个异或链，并且设置了4个异或链，那么对应的随机数发生器中，随机数通道(即待监测数据源)共14路，分为4类：

第一类:8个混沌动力系统的输出，共计8路；

第二类:每两个混沌动力系统数据处理后得到的初步随机数1～4，共计4路；

第三类:4路数据经过第一异或逻辑电路合并为一路之后，进入后置DFF模块之前的初步随机数，共计1路；

第四类:随机数发生器输出的最终真随机数序列，共计1路。

相对于普通随机数发生器，图2所示的随机数发生器增加了后处理电路，将四路初步随机数合并为一路数据之后，经过多级D触发器来保证随机数序列中0和1的分布均匀性，最后通过第二异或逻辑电路合并成一路，得到最终随机数输出。

本实用新型实施例中，在正常情况下，各路待监测数据源应满足如下条件：能通过正确的随机性监测，具有不可预测性，以及不能重复产生。

此外，在本实用新型实施例中，在随机数发生器还设置有多个随机数硬件自检模块，随机数硬件自检模块与待监测数据源一一对应，分别用于监测每路待监测数据源是否符合设定要求。由于待监测数据源不仅包含最终随机数序列，还包括随机数发生器中的多个中间数据源，因此有利于提高监测的即时性。

参考图3所示，在一个实施例中，随机数硬件自检模块包括startup监测模块和online监测模块，在随机数发生器刚刚上电或者随机数发生器从关闭转向使能时，通过多个随机数硬件自检模块的startup监测模块，分别对各路待监测数据源同时做监测，只有各路待监测数据源的startup监测均通过后，才允许随机数发生器产生的最终随机数序列。在随机数发生器通过startup监测后，在正常工作过程中，进一步通过多个随机数硬件自检模块的online监测模块，分别对各路待监测数据源同时做监测，一旦监测到某一路待监测数据源不满足设定条件，则给出随机数发生器异常的监测结果。

具体地，所述startup监测模块可以具体包括基于扑克监测原理的监测模块；所述online监测模块可以具体包括基于单比特频数监测原理、游程总数监测原理或者矩阵秩监测原理的监测模块。其中，对随机数序列的扑克监测、单比特频数监测、游程总数监测或者矩阵秩监测的具体监测方式，可以结合实际场景需求，根据已记载的相关监测方式进行，对此不作限定。

相对于传统的软件监测方法，本实用新型实施例的监测方法可以消除监测结果的滞后性，便于及时发现随机数发生器的异常，并且简化了监测环境要求。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种随机数发生器的安全性监测方法，以该方法应用于图1中的随机数发生器为例进行说明，包括以下步骤：

S110，监测到随机数发生器上电或者从关闭状态转向使能状态时，启动随机数发生器中的随机数硬件自检模块。通过多个随机数硬件自检模块对所述随机数发生器中多个随机数通道输出的数据进行第一阶段监测。

S120，各个随机数硬件自检模块启动之后，首先运行startup监测模块；通过所述startup监测模块对所述随机数发生器中每路待监测数据源进行监测。

S130，若所有随机数硬件自检模块的startup监测模块的监测结果为通过，即随机数发生器中每路待监测数据源均符合设定条件，随机数发生器进入正常运行阶段，进入步骤S140，否则，进入步骤S160。

在一些实施例中，startup监测模块可以采用扑克监测原理对每路待监测数据源进行监测，根据实际情况，startup监测模块还可以采用需符合国家密码管理局颁布的随机数监测标准的其他监测原理对每路待监测数据源。

S140，在所述随机数发生器正常运行阶段，各个随机数硬件自检模块中的 online监测模块运行，startup监测模块停止监测；通过所有随机数硬件自检模块的所述online监测模块，对随机数发生器中各路待监测数据源进行监测。

本实用新型实施例中，通过所述多个随机数硬件自检模块的startup监测模块，对所述随机数发生器中多个随机数通道输出的数据进行第二阶段监测。

S150，若所述随机数发生器中任一路随机数通道的online监测结果为不通过，通过所述任一路随机数通道对应的随机数硬件自检模块输出异常提示信号。

在随机数发生器正常运行阶段，若某个online监测模块监测到起对应的待监测数据源不符合设定条件，则通过该online监测模块所在的随机数硬件自检模块，输出对应的待监测数据源异常的提示信号。

在一些实施例中，online监测模块可以采用单比特频数监测原理、游程总数监测原理或者矩阵秩监测原理等对每路待监测数据源进行监测，根据实际情况， online监测模块还可以采用需符合国家密码管理局颁布的随机数监测标准的其他监测原理对每路待监测数据源。

S160，若所述随机数发生器中任一路随机数通道的startup监测结果为不通过，通过所述任一路随机数通道对应的随机数硬件自检模块输出异常提示信号。

其中，随机数硬件自检模块输出对应的异常提示信号可以是声音信号或者是指示灯信号。

通过上述实施例的随机数发生器的安全性监测方法，在随机数发生器中各个随机数通道增设随机数硬件自检模块，以对随机数发生器中多个随机数通道的数据源的随机性进行startup监测和online监测两个阶段的硬件自动监测；并且分成上电初始阶段和工作过程中的实时监测，对随机数发生器进行不同阶段的不同监测。通过对随机数发生器进行硬件自检，省去了软件监测方式中需要的软件监测平台；并且增加了随机数发生器使用过程中的实时监测功能，有利于保障随机数发生器输出正常的随机数序列，提高了随机数发生器所属芯片的安全性。

应该理解的是，对于前述的各方法实施例，虽然流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，方法实施例的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本文实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或(模块)模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本文中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种随机数发生器，其特征在于，包括：随机源产生电路、后处理电路和随机数硬件自检模块；

所述随机源产生电路，用于产生多路初始随机数，并将所述多路初始随机数合并为初步随机数序列，将所述初步随机数序列输出给所述后处理电路；

所述后处理电路，用于接收随机源产生电路输出的一路初步随机数序列，并输出一路最终随机数序列；

所述随机数硬件自检模块与所述随机数发生器中的随机数通道一一对应，用于监测对应的随机数通道中的随机数序列；

其中，所述随机数通道包括：所述多路初始随机数的输出通道，所述随机源产生电路的输出通道，以及所述后处理电路的输出通道；在所述随机数发生器中，随机数通道有多个，随机数硬件自检模块也有多个，并且随机数硬件自检模块与随机数通道一一对应，所述随机数硬件自检模块以硬件的方式存在。

2.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述随机源产生电路包括：多个混沌动力系统、多个异或链以及第一异或逻辑电路；

多个混沌动力系统的输出端连接一个异或链的输入端；多个异或链的输出端连接所述第一异或逻辑电路的输入端；所述第一异或逻辑电路的输出端连接所述随机源产生电路的输出端；

所述多路初始随机数的输出通道包括：多个混沌动力系统的输出通道，以及多个异或链的输出通道。

3.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述后处理电路包括：第二异或逻辑电路和多个D触发器；所述多个D触发器级联，位于首位的D触发器的输入端连接所述后处理电路的输入端；所述多个D触发器级的输出端还分别连接所述第二异或逻辑电路的输入端；所述第二异或逻辑电路的输出端连接所述随机数发生器的输出端。

4.根据权利要求2所述的随机数发生器，其特征在于，在所述随机源产生电路中，每两个混沌动力系统连接一个异或链的输入端。

5.根据权利要求2所述的随机数发生器，其特征在于，在所述随机源产生电路中包含四个异或链，所述四个异或链的输出端均连接所述第一异或逻辑电路的输入端。

6.根据权利要求3所述的随机数发生器，其特征在于，所述后处理电路中包括128个D触发器，所述128个D触发器级联连接。

7.根据权利要求1至6任一所述的随机数发生器，其特征在于，所述随机数硬件自检模块包括startup监测模块和online监测模块；

所述startup监测模块，在所述随机数发生器刚刚上电或者随机数发生器从关闭转向使能时启动，用于监测对应的随机数通道输出的随机数序列；

在所述随机数发生器正常运行时，所述online监测模块运行，所述startup监测模块停止运行；所述online监测模块用于监测对应的随机数通道输出的随机数序列；

所述随机数发生器在全部startup监测模块的监测通过时，进入正常运行阶段。

8.根据权利要求7所述的随机数发生器，其特征在于，

所述startup监测模块包括基于扑克监测原理的监测模块；

所述online监测模块包括基于单比特频数监测原理、游程总数监测原理或者矩阵秩监测原理的监测模块。

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