高可靠的物理随机数发生系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高可靠的物理随机数发生系统及方法，系统包括数字驱动模块、混沌噪声采集模块、后处理模块、在线检测模块、输出模块；数字驱动模块生成数字驱动信号并发送至混沌噪声采集模块；混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；数模转换器接收将数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用模拟波形驱动各路超晶格器件产生混沌振荡；各模数转换器采样对应超晶格器件产生的混沌振荡并输出原始随机序列；后处理模块接收原始随机序列进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块，还发送至数字驱动模块供其生成数字驱动信号。本发明专利技术能够实现高速地产生物理随机数。

【技术实现步骤摘要】
高可靠的物理随机数发生系统及方法
本专利技术涉及信息安全
，具体涉及一种高可靠的物理随机数发生系统及方法。
技术介绍
随着现代信息技术的发展，信息安全性逐渐得到广泛关注，物理随机数发生器已成为现代信息系统中重要的组成部分，信息系统的安全性很大程度取决于随机数的质量与数量。尤其是在随机数质量要求较高的密码学、保密通信、信息安全等领域，从物理随机现象中提取的高速、高质量物理随机数成为宝贵资源，且对随机数发生系统产生的随机数质量和可靠性提出了苛刻的要求。超晶格器件在一定直流偏压下，可实现电流混沌振荡，可作为一种新型的物理不可克隆函数(PUF)，在随机挑战信号作用下可产生不可预测的响应，可用于产生高质量的物理随机数。而且超晶格器件是一种强PUF，具备足够多的挑战-响应对，在有限时间内无法完全遍历。超晶格器件具有物理不可克隆性，即器件由复杂的半导体工艺制备而成，且一旦制备便不可在电学特性上被复制仿造，可以保障每一个超晶格器件具有特异性的挑战-响应关系。目前的实用性物理随机数产生装置中，纯电子学实现方案受到物理器件带宽限制，仅能实现较低速率的物理随机数发生器。且在苛刻的工作环境下，难以保证系统长时间持续稳定的生产物理随机数，给信息系统安全带来隐患。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种高可靠的物理随机数发生系统及方法，能够实现高速地产生物理随机数。为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：第一方面，本专利技术提供了一种高可靠的物理随机数发生系统，包括：数字驱动模块、混沌噪声采集模块、后处理模块、在线检测模块、输出模块；所述数字驱动模块生成数字驱动信号，并发送至混沌噪声采集模块；所述混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；所述数模转换器接收将所述数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用所述模拟波形驱动各路超晶格器件，产生混沌振荡；各模数转换器分别与对应的超晶格器件相连，采样对应超晶格器件产生的混沌振荡，并输出原始随机序列；所述后处理模块接收各模数转换器输出的原始随机序列，并分别进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；所述在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块以提供给应用系统使用，同时还发送至所述数字驱动模块供其生成数字驱动信号。可选地，所述数字驱动模块、后处理模块和在线检测模块均选用FPGA芯片。可选地，所述超晶格器件与模数转换器的采样通道的数量相等。可选地，所述在线检测模块对各组物理随机数的随机性指标进行实时检测，一旦发现某路故障，便发出报警信号。第二方面，本专利技术提供了一种高可靠的物理随机数发生方法，包括以下步骤：利用数字驱动模块生成数字驱动信号，并发送至混沌噪声采集模块，所述混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；利用所述数模转换器接收将所述数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用所述模拟波形驱动各路超晶格器件，产生混沌振荡；各模数转换器分别与对应的超晶格器件相连，采样对应超晶格器件产生的混沌振荡，并输出原始随机序列；利用后处理模块接收各模数转换器输出的原始随机序列，并分别进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；利用在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块以提供给应用系统使用，同时还发送至数字驱动模块供其生成数字驱动信号。可选地，所述数字驱动模块、后处理模块和在线检测模块均选用FPGA芯片。可选地，所述超晶格器件与模数转换器的采样通道的数量相等。可选地，所述方法还包括：利用在线检测模块对各组物理随机数的随机性指标进行实时检测，一旦发现某路故障，便发出报警信号与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术中，数字驱动模块产生驱动信号给混沌噪声采集模块中的各路超晶格，使其产生原始的随机序列并发送到后处理模块，后处理模块对各路原始随机序列进行随机性提取产生真随机数，经在线检测模块检测合格后，对各路随机数按位异或后再通过输出模块输出，同时会将输出的随机数传输给数字驱动模块产生新的驱动信号。通过将输出随机数作为输入产生新的驱动信号，形成了一个不断输出随机数的闭环系统，实现物理随机数的高可靠发生。附图说明为了使本专利技术的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中：图1为本专利技术一种实施例的高可靠的物理随机数发生系统的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术的保护范围。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。实施例1本专利技术实施例中提供了一种高可靠的物理随机数发生系统，包括：数字驱动模块、混沌噪声采集模块、后处理模块、在线检测模块、输出模块；所述数字驱动模块生成数字驱动信号，并发送至混沌噪声采集模块；所述混沌噪声采集模块包括数模转换器(参见图1中的DAC)、多个超晶格器件和多个模数转换器；所述数模转换器接收将所述数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用所述模拟波形驱动各路超晶格器件，产生混沌振荡；各模数转换器分别与对应的超晶格器件相连，采样对应超晶格器件产生的混沌振荡，并输出原始随机序列；所述后处理模块接收各模数转换器输出的原始随机序列，并分别进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；所述在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块以提供给应用系统使用，同时还发送至所述数字驱动模块供其生成数字驱动信号；本专利技术实施例中，对各组物理随机数通过按位异或再输出后，最终输出的随机数的熵不会差于原来的各组随机数，使得输出的随机数质量更好。在本专利技术实施例的一种具体实施方式中，所述数字驱动模块、后处理模块和在线检测模块均选用FPGA芯片，从而可实现较高的处理速度和数据吞吐率。超晶格器件的混沌振荡带宽可达GHz量级，物理随机数输出速率较难受到超晶格工作物理带宽限制，可保证系统输出速率达到100Mbps以上。在本专利技术实施例的一种具体实施方式中，所述超晶格器件与模数转换器的采样通道的数量相等；优选地，所述超晶格器件与模数转换器的采样通道的数量均为4，具体参见图1中的SL1-SL4，以及ADC1-ADC4，所述足熵的物理随机数为4组。在本专利技术实施例的其他实施例中，所述超晶格器件与模数转换器的采样通道的数量还可以是其他数字，具体根据实际情况确定。在本专利技术实施例的一种具体实施方式中，所述在线检测模块对各组物理随机数的随机性指标进行实时检测，一旦发现某路故障，便发出报警信号，此时，在线检测模块输出的物理随机数仍可被使用，故无需在出现单路故障时因安全问题停用所述随机数发送系统。各个超晶格器件同时并行工作，除非各路超晶格器件均工作异常，否则系统输出物理随机数质量和物理随机数输出速率不会本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高可靠的物理随机数发生系统，其特征在于，包括：数字驱动模块、混沌噪声采集模块、后处理模块、在线检测模块、输出模块；/n所述数字驱动模块生成数字驱动信号，并发送至混沌噪声采集模块；/n所述混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；所述数模转换器接收将所述数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用所述模拟波形驱动各路超晶格器件，产生混沌振荡；各模数转换器分别与对应的超晶格器件相连，采样对应超晶格器件产生的混沌振荡，并输出原始随机序列；/n所述后处理模块接收各模数转换器输出的原始随机序列，并分别进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；/n所述在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块以提供给应用系统使用，同时还发送至所述数字驱动模块供其生成数字驱动信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种高可靠的物理随机数发生系统，其特征在于，包括：数字驱动模块、混沌噪声采集模块、后处理模块、在线检测模块、输出模块；
所述数字驱动模块生成数字驱动信号，并发送至混沌噪声采集模块；
所述混沌噪声采集模块包括数模转换器、多个超晶格器件和多个模数转换器；所述数模转换器接收将所述数字驱动信号，并将其转换为模拟波形，同时利用所述模拟波形驱动各路超晶格器件，产生混沌振荡；各模数转换器分别与对应的超晶格器件相连，采样对应超晶格器件产生的混沌振荡，并输出原始随机序列；
所述后处理模块接收各模数转换器输出的原始随机序列，并分别进行随机性提取，得到多组足熵的物理随机数；
所述在线检测模块对各组物理随机数按位异或后，发送至输出模块以提供给应用系统使用，同时还发送至所述数字驱动模块供其生成数字驱动信号。


2.根据权利要求1所述的一种高可靠的物理随机数发生系统，其特征在于：所述数字驱动模块、后处理模块和在线检测模块均选用FPGA芯片。


3.根据权利要求1所述的一种高可靠的物理随机数发生系统，其特征在于：所述超晶格器件与模数转换器的采样通道的数量相等。


4.根据权利要求1或3所述的一种高可靠的物理随机数发生系统，其特征在于：所述在线检测模块对各组物理随机数的随机性指标进行实时检测，一旦发现某路故障...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，
申请(专利权)人：苏州矗联电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32