專利名稱：一種帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，尤其涉及一種帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
背景技術(shù)：
隨機(jī)數(shù)在密碼學(xué)中占有重要的地位，幾乎所有的密碼算法和協(xié)議都要用到一些對攻擊者來說必須是秘密的數(shù)據(jù)，比如對一個密碼算法來說，如果將秘密寓于密鑰之中，那么密鑰就是秘密，包括對稱密碼算法(DES、AES等)的密鑰和非對稱密碼算法(RSA、DSA等)的密鑰對等等，而這些密鑰必須是隨機(jī)數(shù)。對于唯一已經(jīng)證明了的完善保密系統(tǒng)一次一密系統(tǒng)來說，其安全性就依賴于密鑰，其密鑰必須是隨機(jī)數(shù)。隨著加解密技術(shù)的發(fā)展，對高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)的要求也與日俱增。軟件方法實現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是利用軟件算法產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列。然而，這個序列決定于采用的算法和初始種子，且具有一定的周期性。由于存在這個特性，軟件實現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通常被稱為偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(Pseudo Random Number Generator, PRNG)。如果攻擊者擁有足夠的計算能力，則完全可以預(yù)測到偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生規(guī)律。對于許多使用偽隨機(jī)數(shù)的安全系統(tǒng)而言，偽隨機(jī)數(shù)注定成為它們性能提高的瓶頸。即使一個安全系統(tǒng)的其他部件都足夠安全，使用偽隨機(jī)數(shù)也會使整個系統(tǒng)變得很脆弱、易受到攻擊。而真隨機(jī)數(shù)序列是不可預(yù)測的，因而也不可能出現(xiàn)周期性重復(fù)的真隨機(jī)數(shù)序列。它只能由隨機(jī)的物理過程所產(chǎn)生，如電路的熱噪聲、宇宙噪聲、放射性衰變等。硬件方法實現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(True Random Number Generator, TRNG)主要依賴于物理元件的隨機(jī)特征，例如弧光燈、原子核的射線衰變、電阻或者二極管的噪聲。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器不像偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器那樣需要設(shè)定初始種子，所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來源于真實的隨機(jī)物理過程，因而徹底地消除了偽隨機(jī)數(shù)的周期性問題，只有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器才能提供真正的、永不重復(fù)的隨機(jī)數(shù)序列。在集成電路中，大多數(shù)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)計方案通?？梢詺w為三大類放大電路噪聲、混沌電路、振蕩采樣。目前，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)計中最流行的方法是振蕩器采樣法，其基本設(shè)計思想是利用兩個獨(dú)立工作的高、低頻振蕩器之間的相對關(guān)系來得到非確定噪聲源，用低頻振蕩器采樣高頻振蕩器，從而產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)序列。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器作為現(xiàn)代密碼芯片系統(tǒng)的核心組成部分之一，發(fā)揮著極其重要的作用，片上真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的設(shè)計工作也越來越得到人們的重視?；谖锢黼S機(jī)源產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)雖然在隨機(jī)序列的長度、獨(dú)立性等方面相比偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器得到了突破性進(jìn)展，但是其產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)性不夠穩(wěn)定，隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量不高。一般而言，高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)序列具有分布均勻、周期長、序列無關(guān)等特性。檢驗序列質(zhì)量有跟隨性、游程、均勻性、獨(dú)立性、相關(guān)性等一系列檢驗指標(biāo)以及譜分析、ENT (—種隨機(jī)數(shù)性能檢測程序)等測試方法。物理隨機(jī)源雖然能夠提供真正意義上的真隨機(jī)數(shù)序列，但是并不代表其產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)序列具有很高的質(zhì)量，也不一定能夠滿足上述測試的要求。若能將數(shù)學(xué)方法和物理方法結(jié)合起來，則可能產(chǎn)生高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)。從實現(xiàn)方法來說，有以軟件為主、以硬件為主以及軟硬結(jié)合等方法
發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，通過對傳統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加數(shù)字后處理電路，提高了物理隨機(jī)源產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列的質(zhì)量，最終所輸出的隨機(jī)數(shù)序列具有均勻性好、獨(dú)立性高等特點(diǎn)，提高了密碼芯片的信息存儲的安全性，在密碼芯片、信息安全等方面具有較高的實際應(yīng)用價值。本發(fā)明中，一種帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)的技術(shù)方案是包括真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器，其特征在于所述真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器之間連接有數(shù)字后處理電路，所述數(shù)字后處理電路由自所述真隨機(jī)數(shù)源連接至所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器的曼徹斯特編碼器、線性反饋移位寄存器和DES加密單元構(gòu)成；所述真隨機(jī) 數(shù)輸出寄存器用來鎖存所述DES加密單元輸出的密文，最終真隨機(jī)數(shù)由所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出至芯片。進(jìn)一步講，本發(fā)明帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其中，所述曼徹斯特編碼器由一個異或門、一個非門與一個觸發(fā)器組成，從而實現(xiàn)從NRZ碼到曼徹斯特碼的轉(zhuǎn)換，并由編碼控制端控制曼徹斯特編碼的開始和停止。所述線性反饋移位寄存器采用128位線性反饋移位寄存器，其反饋函數(shù)為Afl=A^A, Afi Am，其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的序列周期長度為2128-1 ;所述線性反饋移位寄存器工作時，首先由曼徹斯特碼序列作為線性反饋移位寄存器的種子填充至該128位線性反饋移位寄存器中，此時，線性反饋移位寄存器輸出使用信號為0，曼徹斯特碼序列逐比特進(jìn)入線性反饋移位寄存器中；當(dāng)線性反饋移位寄存器的128位全部填充結(jié)束后，線性反饋移位寄存器使能信號變?yōu)?，此時，線性反饋移位寄存器開始工作，線性反饋移位寄存器輸出端開始輸出隨機(jī)數(shù)序列。所述DES加密單元由密鑰和明文生成單元和DES運(yùn)算單元構(gòu)成；所述明文和密鑰生成單元通過獲取線性反饋移位寄存器輸出的隨機(jī)數(shù)生成DES運(yùn)算所需的64bits的明文和密鑰，所述明文和密鑰生成單元由明文寄存器和密鑰寄存器組成，用于分別鎖存64bits的隨機(jī)數(shù)；所述DES運(yùn)算單元完成16輪的DES加密運(yùn)算，從而向所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出64bits密文。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是密碼芯片及安全芯片中的重要單元電路，用來產(chǎn)生芯片工作所需要的真隨機(jī)數(shù)序列。本發(fā)明對傳統(tǒng)的基于物理隨機(jī)源的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將數(shù)學(xué)方法和物理方法結(jié)合起來，能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)，能夠使密碼芯片的信息保密性得到很大程度的提升，既能達(dá)到相關(guān)測試指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的要求，又能有效保障信息安全。通過在真隨機(jī)數(shù)源后加入數(shù)字后處理電路，使真隨機(jī)數(shù)源產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)序列在經(jīng)過數(shù)字電路的后處理后，再送入芯片中的其他單元使用。本發(fā)明真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以有效的提聞?wù)骐S機(jī)數(shù)的隨機(jī)性，提筒芯片的安全性能。


圖1是本發(fā)明真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明中真隨機(jī)數(shù)源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中曼徹斯特編碼器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中線性反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明中DES加密單元結(jié)構(gòu)示意圖；·圖6本發(fā)明真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖1所示，本發(fā)明一種帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器，所述真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器之間連接有數(shù)字后處理電路，所述數(shù)字后處理電路由自所述真隨機(jī)數(shù)源連接至所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器的曼徹斯特編碼器、線性反饋移位寄存器(LFSR)和DES加密單元構(gòu)成；所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器用來鎖存DES運(yùn)算單元輸出的密文，最終真隨機(jī)數(shù)由所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出至芯片。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸入信號包括系統(tǒng)時鐘和高頻震蕩器信號。如圖2所示，真隨機(jī)數(shù)源基于震蕩采樣法實現(xiàn)，利用兩個獨(dú)立工作的不同相位的高、低頻振蕩器來獲得非確定噪聲源，其中低頻振蕩器利用系統(tǒng)時鐘的2分頻實現(xiàn)，做為真隨機(jī)數(shù)的采樣時鐘采樣輸入的高頻振蕩器信號，從而產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列。在實際實現(xiàn)的具體電路中，真隨機(jī)數(shù)的采樣時鐘作為正沿觸發(fā)D觸發(fā)器的時鐘信號，高頻震蕩器輸入信號則作為觸發(fā)器的D端數(shù)據(jù)輸入，并在采樣時鐘脈沖的上升沿對其進(jìn)行采樣，觸發(fā)器的Q端得到的就是一個真隨機(jī)數(shù)比特流。由于真隨機(jī)數(shù)源輸出的真隨機(jī)數(shù)比特流質(zhì)量不高，可能存在由連續(xù)的多個“0”或者多個“I”組成的長零或長壹序列，這樣的序列雖然屬于真隨機(jī)數(shù)，但是其隨機(jī)性差，不能滿足芯片工作的要求，因此首先將數(shù)據(jù)送入曼徹斯特編碼器，消除長零及長壹序列。如圖3所示，所述曼徹斯特編碼器由一個異或門、一個非門與一個觸發(fā)器組成，從而實現(xiàn)從NRZ碼到曼徹斯特碼的轉(zhuǎn)換，并由編碼控制端控制曼徹斯特編碼的開始和停止。為了提高真隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性指標(biāo)，將真隨機(jī)數(shù)序列的值離散化，在通過曼徹斯特編碼器后，將曼徹斯特碼比特流送入后續(xù)的LFSR和DES加密單元進(jìn)行處理。如圖4所示，所述LFSR采用128位線性反饋移位寄存器實現(xiàn)，其反饋函數(shù)為Afl=Af^A, A^A,。，其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的序列周期長度為2128-1 ;所述LFSR工作時，首先由曼徹斯特碼比特流作為LFSR的種子填充至該128位LFSR中，此時，LFSR輸出使能信號為0，曼徹斯特碼比特流逐比特進(jìn)入LFSR中；當(dāng)LFSR的128位全部填充結(jié)束后，LFSR輸出使能信號變?yōu)?，此時，LFSR開始工作，LFSR輸出端開始輸出隨機(jī)數(shù)序列。如圖5所示，所述DES加密單元由密鑰和明文生成單元和DES運(yùn)算單元構(gòu)成；所述明文和密鑰生成單元通過獲取LFSR輸出的隨機(jī)數(shù)序列生成DES運(yùn)算所需的64bit的明文和密鑰，所述明文和密鑰生成單元由明文寄存器和密鑰寄存器組成，用于分別鎖存64bits的隨機(jī)數(shù)；當(dāng)明文和密鑰生成后，生成單元向DES運(yùn)算單元發(fā)出使能信號，由所述DES運(yùn)算單元完成16輪的DES加密運(yùn)算，從而向所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出64bits密文；真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器用來鎖存DES運(yùn)算單元輸出的64bits密文。本發(fā)明真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器中的數(shù)據(jù)后處理電路工作時，首先由曼徹斯特編碼器對真隨機(jī)源產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生的曼徹斯特編碼比特流做為LFSR的輸入；LFSR處理后輸出的序列填充DES加密單元中的明文及密鑰寄存器，填充滿后啟動DES加密運(yùn)算，最終輸出的64bits密文被輸出到作為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器輸出單元的真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器鎖存，其鎖存的真隨機(jī)數(shù)作為最終輸出提供給芯片的其他單元使用。如圖6所示，本發(fā)明真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工作流程是當(dāng)芯片需要隨機(jī)數(shù)序列時，首先打開高頻振蕩器和系統(tǒng)時鐘信號的輸入，從而啟動真隨機(jī)數(shù)源，產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)序列；隨后使能曼徹斯特編碼器，輸出曼徹斯特碼比特流；將該比特流送入到LFSR中做為種子填入寄存器，直到128位寄存器填滿，啟動LFSR，輸出LFSR處理后的隨機(jī)數(shù)序列；將LFSR處理后的隨機(jī)數(shù)序列填入到DES加密單元的明文和密鑰寄存器，全部填滿后啟動DES運(yùn)算，最終輸出64bits密文做為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的隨機(jī)數(shù)輸出，存入到真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器，供芯片其他單元使用；最后關(guān)閉高頻振蕩器及系統(tǒng)時鐘輸入，等待真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的下一次工作。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器，其特征在于所述真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器之間連接有數(shù)字后處理電路，所述數(shù)字后處理電路由自所述真隨機(jī)數(shù)源連接至所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器的曼徹斯特編碼器、線性反饋移位寄存器和DES加密單元構(gòu)成；所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器用來鎖存所述DES加密單元輸出的密文，最終真隨機(jī)數(shù)由所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出至芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于所述曼徹斯特編碼器由一個異或門、一個非門與一個觸發(fā)器組成，從而實現(xiàn)從NRZ碼到曼徹斯特碼的轉(zhuǎn)換，并由編碼控制端控制曼徹斯特編碼的開始和停止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于所述線性反饋移位寄存器采用128位線性反饋移位寄存器，其反饋函數(shù)為，其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的序列周期長度為2128-1 ;所述線性反饋移位寄存器工作時，首先由曼徹斯特碼序列作為線性反饋移位寄存器的種子填充至該128位線性反饋移位寄存器中，此時，線性反饋移位寄存器輸出使用信號為O，曼徹斯特碼序列逐比特進(jìn)入線性反饋移位寄存器中；當(dāng)線性反饋移位寄存器的128位全部填充結(jié)束后，線性反饋移位寄存器使能信號變?yōu)?，此時，線性反饋移位寄存器開始工作，線性反饋移位寄存器輸出端開始輸出隨機(jī)數(shù)序列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于所述DES加密單元由密鑰和明文生成單元和DES運(yùn)算單元構(gòu)成；所述明文和密鑰生成單元通過獲取線性反饋移位寄存器輸出的隨機(jī)數(shù)生成DES運(yùn)算所需的64bits的明文和密鑰，所述明文和密鑰生成單元由明文寄存器和密鑰寄存器組成，用于分別鎖存64bits的隨機(jī)數(shù)；所述DES運(yùn)算單元完成16輪的DES加密運(yùn)算，從而向所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出64bits密文。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有數(shù)字后處理電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器，其特征在于所述真隨機(jī)數(shù)源和真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器之間連接有數(shù)字后處理電路，所述數(shù)字后處理電路由自所述真隨機(jī)數(shù)源連接至所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器的曼徹斯特編碼器、線性反饋移位寄存器和DES加密單元構(gòu)成；所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器用來鎖存所述DES加密單元輸出的密文，最終真隨機(jī)數(shù)由所述真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出至芯片。本發(fā)明提高了真隨機(jī)數(shù)源產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列的質(zhì)量，最終所輸出的隨機(jī)數(shù)序列具有均勻性好、獨(dú)立性高等特點(diǎn)，提高了密碼芯片的信息存儲的安全性，在密碼芯片、信息安全等方面具有較高的實際應(yīng)用價值。
文檔編號G06F7/58GK103019648SQ20121049175
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者趙毅強(qiáng), 劉長龍, 馮紫竹, 史亞峰 申請人:天津大學(xué)