一种提高输出序列随机性的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高输出序列随机性的方法，涉及网络信息安全领域，包括随机数发生器，所述随机数发生器包括充电管和时钟单元，充电管为可配置充电管；所述时钟单元为可配置时钟延迟单元，还包括，步骤1：采用可配置充电管对随机源进行粗粒度校正；步骤2：采用可配置时钟延迟单元对随机源进行细粒度校正；步骤3：生成输出序列，检测输出序列的随机度，判断系统是否处于平衡状态；步骤4：若系统处于平衡状态则配置信号保持不变，否则重复步骤1‑3，使用可配置的充电管通过二级校正消除各种非理想因数对输出序列随机性的影响，并通过每次校正导通或关断一个相应配置管，以降低连续出现0或1的情况的概率，使得系统处于平衡状态。

【技术实现步骤摘要】
一种提高输出序列随机性的方法
本专利技术涉及网络信息安全领域，尤其涉及一种提高输出序列随机性的方法。
技术介绍
随着互联网的蓬勃发展以及云计算、云存储等概念的产生，网络信息安全显得越发重要.众多的加密算法和安全协议均基于随机数，使得随机数发生器在网络通信安全中扮演了越来越重要的角色。真随机数的产生依据自然物理现象，根据实现方法的不同，可将真随机数发生器分为离散混沌TRNG、振荡器采样TRNG和热噪声TRNG三种，离散混沌TRNG基于非线性系统的混沌理论，设计中使用了复杂的开关网络电路，常常无法兼顾高速和低功耗。振荡器采样TRNG将噪声源转换为高频环形振荡器的相位抖动，并使用低频时钟进行采样，其缺点是随机性不足，需要引入额外的噪声和扰动以增加输出序列的随机性。热噪声TRNG将电阻热噪声或MOS管沟道热噪声作为随机源直接放大，应用最为广泛。典型的方式是采用高增益高带宽的差分放大器放大一对大电阻的热噪声，并用模数转换器将结果采样量化。随着工艺尺寸的下降，高增益高带宽放大器的设计愈发困难，且放大器失调、衬底耦合噪声等非理想因素将影响系统输出的随机性。本专利技术主要涉及RNG-1的数字物理噪声源电路，RNG-1是一款数字物理噪声源电路，用于产生真随机数序列，是信息安全及密码产品中不可缺少的基础部件，如：会话密钥、装置密钥的生成以及安全协议中的随机数、各种初始向量的设置等，都必须使用真随机序列，它们在通信、测量、声学等其它领域也有广泛用途。RNG-1物理噪声源可以和CPU、E2PROM一起组成应用系统。它被广泛用于信息安全中的密钥管理，即产生密钥、存储密钥和更新密钥。系统中物理噪声源输出的序列具有良好的随机性。系统中CPU用于产生物理噪声源和E2PROM芯片的控制信号，E2PROM在CPU的控制下，用于存储物理噪声源芯片输出的随机序列。E2PROM具有可多次擦写的性能，使本系统可以方便地进行多次密钥产生和存储操作，从而实现密钥更新功能。本系统可实现一次一密的密钥管理。可用于军事信息传送和网络信息传送的密钥管理，也可用于制造密码锁等。其产品指标及电特性参数如下：工作电压：3.3V(±10％)，5V、3.3V自适应。采样频率：≤20MHz。输出速率：≤20Mbps。动态特性：CLK-DATA传输延时：≤15ns；DATA输出转换时间：≤15ns；输出允许时间：≤10ns；输出禁止时间：≤10ns。功耗：工作电流≤20mA；休眠电流≤300μA。温度范围：工作温度范围：-40℃～85℃；存储温度范围：-55℃～125℃。其芯片管脚分布图如图1所示，各管脚的引脚说明如下表所示：表1引脚说明其典型应用包括，如图2所示，在测试及应用时，在芯片的正电源VDD端应连接一个串联电阻，以保护电路，同时建议接一个约为0.1uf左右的旁路电容，以便对电源去耦。该真随机数发生器的核心电路如图3所示，为基于热噪声的真随机数发生器典型结构。它主要由热噪声源、放大器、比较器三部分组成。由于放大器存在输入失调、有限带宽、衬底耦合、电源电压扰动以及温度变化等非理想因素，在实际电路中需要加入反馈环和后处理模块来增加输出序列的随机性。由于热噪声的幅度小，需设计高增益的放大器，这无疑增加了电路的设计难度，且占据了系统大部分的功耗。要想获得较大的增益，除采用高增益放大器之外，还可使用正反馈结构。工作过程如图4所示，M1～M4管形成正反馈；M5、M6管为充电管；M7、M8管为复位管。图5是复位信号Reset和时钟信号CLK的时序图。该电路的具体工作过程如下：当复位信号Reset上升沿到达时，复位管M7、M8导通，将输出节点c与d复位成地电位GND。与此同时，CLK是低电平，充电管M5、M6导通。由于开关管M9是PMOS管，可传导高电平，使得节点a和b的电位相等。当Reset下降沿和CLK上升沿来临，M5～M8关断。当CLK下降沿再次来临时，M5、M6管同时导通，ID1、ID2分别为节点电容Ca、Cb进行充电。由于M5、M6管存在沟道热噪声，充电电流ID1、ID2并不严格相等。这将导致M3、M4管中的一个率先达到阈值电压|Vth.P|而导通。在M1～M4管组成的正反馈作用下，c、d节点电压差迅速增大并达到稳定状态。在CLK最终回到高电平时，c、d节点电压经缓冲单元输出得到随机序列。值得注意的是，以上均是在没有发生晶体管失配，电源电压扰动等情况发生的理想条件下进行。而在非理想条件下，例如M5、M6管的宽长比由于工艺限制并不完全相等，则M5、M6管的充电电流ID1、ID2存在一个固有的误差。该误差导致输出倾向于某一固定结果。若晶体管的等效热噪声电流相比于失配引起的误差不占主导地位，输出序列的随机性将大大降低。当左右两侧电路完全匹配时，电源电压VDD的扰动作为共模噪声的形式存在，充电电流ID1、ID2增大或减小相同的值，对输出结果不造成任何影响，输出只受差模噪声的影响。但当两侧电路不完全对称时，电源电压扰动将通过电路传导转化为差模噪声，影响输出序列的随机性。该状况可以通过减小左右两侧电路中晶体管的失配来解决。其他可以引入误差的因素还有温度变化和器件老化等。为了最大程度地利用热噪声源的随机性，需消除该结构中的静态误差和动态误差。这需要引入相应的调节机制，使等效噪声的幅值远大于各种非理想因素引入的误差之和。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：采用二级校正消除各种非理想因素对输出序列随机性的影响。本专利技术提供的一种提高输出序列随机性的方法，包括随机数发生器，所述随机数发生器包括充电管和时钟单元，充电管为可配置充电管；所述时钟单元为可配置时钟延迟单元，还包括，步骤1：采用可配置充电管对随机源进行粗粒度校正；步骤2：采用可配置时钟延迟单元对随机源进行细粒度校正；步骤3：生成输出序列，检测输出序列的随机度，判断系统是否处于平衡状态；步骤4：若系统处于平衡状态则配置信号保持不变，否则重复步骤1-3。其中，所述可配置充电管有两个，分别为M5和M6，均由一个主充电管和n个具有不同权重的配置管并联构成。所述时钟延迟单元包括第一时钟延迟单元和第二时钟延迟单元，所述第一时钟延迟单元和第二时钟延迟单元均包括n个不同权重的配置管，所述n为4。更进一步，所述粗粒度校正具体包括，通过控制信号conf_M5[3:0]和conf_M6[3:0]分别控制与充电管M5和M6并联的配置管的导通和关断，调节随机数发生器两侧充电电流的大小，使两侧充电电流相等。更进一步，所述调节充电电流具体包括，当充电管M5侧的充电电流大于充电管M6侧的充电电流时，减少充电管M5与相应配置管的导通或增加充电管M6与相应配置管的导通。当充电管M5侧的充电电流小于充电管M6侧的充电电流时，减少充电管M6与相应配置管的导通或增加充电管M5与相应配置管的导通。更进一步，所述细粒度校正具体包括，对时钟延迟单元输出的配置信号进行不断调整，使随机源始终偏置在高熵区域。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高输出序列随机性的方法，包括随机数发生器，所述随机数发生器包括充电管和时钟单元，其特征在于：所述充电管为可配置充电管；所述时钟单元为可配置时钟延迟单元，还包括，/n步骤1：采用可配置充电管对随机源进行粗粒度校正；/n步骤2：采用可配置时钟延迟单元对随机源进行细粒度校正；/n步骤3：生成输出序列，检测输出序列，判断系统是否处于平衡状态；/n步骤4：若系统处于平衡状态则配置信号保持不变，否则重复步骤1-3。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高输出序列随机性的方法，包括随机数发生器，所述随机数发生器包括充电管和时钟单元，其特征在于：所述充电管为可配置充电管；所述时钟单元为可配置时钟延迟单元，还包括，
步骤1：采用可配置充电管对随机源进行粗粒度校正；
步骤2：采用可配置时钟延迟单元对随机源进行细粒度校正；
步骤3：生成输出序列，检测输出序列，判断系统是否处于平衡状态；
步骤4：若系统处于平衡状态则配置信号保持不变，否则重复步骤1-3。


2.根据权利要求1所述的提高输出序列随机性的方法，其特征在于：所述可配置充电管有两个，分别为M5和M6，均由一个主充电管和n个具有不同权重的配置管并联构成；
所述时钟延迟单元包括第一时钟延迟单元和第二时钟延迟单元，所述第一时钟延迟单元和第二时钟延迟单元均包括n个具有不同权重的配置管。


3.根据权利要求2所述的提高输出序列随机性的方法，其特征在于：所述n为4。


4.根据权利要求2-3任一项所述的提高输出序列随机性的方法，其特征在于：所述粗粒度校正具体包括，
通过控制与充电管M5和M6并联的配置管的导通和关断，调节随机数发生器两侧充电电流的大小，使两侧充电电流相等。


5.根据权利要求4所述的提高输出序列随机性的方法，其特征在于：所述调节充电电流具体包括，
当充电管M5侧的充电电流大于充电管M6侧的充电电流时，减少充电管M5与相应配置管的导通或增加充电管M6与相应配置管的导通；
当充电管M5侧的充电电流小于充电管M6侧的充电电流时，减少充电管M6与相应配置管的导通或增加充电管M5与相应配置管的导通。


6.根据权利要求2-3任一项所述的提高输出序列随机性的方法，其特征在于：所述细粒度校正具体包括，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱伟华，谭军，
申请(专利权)人：佳缘科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51