防止噪声影响随机数发生器的方法和设备技术

公开了一种防止噪声影响基于触发器的亚－稳定特性的随机数发生器的方法和设备。外部噪声将以相同方式影响较大的随机数发生器电路中的多个触发器，因为它们在物理上很接近。因而，通过在单个随机数发生器中引入多个触发器（称为核心随机元件）可以降低使用外部噪声来影响随机数发生器的操作的能力。如果随机数发生器中有一个核心随机元件受到了噪声影响，那么所有的核心随机元件都将受到噪声影响。因而，如果核心随机元件的全部（或大部）同时产生一个随机位，就存在随机数发生器受到噪声影响的可能性，并丢弃所有产生的位。在随机数发生器引入了一种或多种机制来确保当多个核心随机元件同时产生一个位时不产生随机位。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及随机数产生，更准确地说，涉及使用触发器亚-稳态(meta-stability)来产生随机数的方法和设备。
技术介绍
很多应用和电子设备需要随机数，包括机遇游戏，例如(扑克(poker)、轮盘赌和吃角子机)。特别地，大量的加密算法和协议依赖于不可预测的随机数来源，以实现安全的电子通信等等。随机数发生器应该在指定的数字范围内产生每个可能的排列。另外，随机数发生器不应该有偏移并且应该以和任意其它数字或任意其它数字序列相同的概率产生任意给定的数字和任意给定的数字序列。此外，随机数发生器应该产生不能预测的随机数，而不考虑先前的结果集合的大小。因而，随机数应该是完全不可预测的并且对外部影响不敏感。2000年3月6日提交的题为“使用触发器亚-稳态来产生随机数的方法和设备”的美国专利申请序列号09/519,549以及2001年7月25日提交的题为“使用伪随机序列对随机数发生器解相关的方法和设备”的美国专利申请09/912,685，公开了使用触发器的亚-稳定特性来产生随机数的方法和设备。触发器由故意破坏触发器的建立时间或保持时间(或二者)的输入提供时钟以确保亚-稳定特性。当出现错误时收集到一个位。尽管亚-稳态是随机发生的，但已经发现亚-稳态的持续时间和发生会受到外部噪声影响(通常随机部件的行为会受内部噪声控制，例如半导体设备中发现的热噪声)。因而，外部噪声可以用来影响随机数发生器并由此损害所产生的数字的随机特性。因而需要不受外部噪声影响、利用亚-稳态产生随机数的方法和设备。
技术实现思路
总的来说，公开了一种方法和设备，用于防止外部噪声影响基于触发器亚-稳定特性的随机数发生器。已经观察到外部噪声可以由攻击者用来影响使用触发器亚-稳定特性的随机数发生器的操作。本专利技术认识到外部噪声将以相同方式影响多个随机数发生器中的多个触发器，因为它们在物理上很接近。因而，依照本专利技术的一个方面，通过在单个随机数发生器中引入多个触发器(这里称为核心随机元件)来降低使用外部噪声影响随机数发生器的操作的能力。更准确地说，本专利技术认识到如果随机数发生器中的核心随机元件的一个受到了噪声影响，则核心随机元件的所有(或大部分)都将受到噪声影响。因而，如果核心随机元件的全部(或大部)同时产生了一个位，就存在随机数发生器受噪声影响的可能，并丢弃所产生的位。因而在随机数发生器中引入了一种或多种机制以确保随机位不是在多个核心随机元件同时产生一个位时被产生的。偶尔，两个核心随机元件将同时产生一个随机位，这仅是简单的意外，但丢弃这些位对系统的整体效率所产生的影响是微不足道的。通过参考下面的详细描述和附图将获得本专利技术以及本专利技术进一步的特性和优势更完整的理解。附图说明图1A说明了依照2000年3月6日提交的题为“使用触发器亚-稳态来产生随机数的方法和设备”的美国专利申请序列号09/519,549的随机数发生器；图1B说明了可以利用时钟源来同步图1A的随机数发生器的输出的同步电路； 图1C说明了由图1A和1B的电路所产生的一组波形；图2说明了依照2001年7月25日提交的题为“使用伪随机序列对随机数发生器解相关的方法和设备”的美国专利申请09/912,685的另一种随机数发生器；图3说明了由图2和图1B的电路所产生的一组波形；图4说明了可以用上面结合图1A、1B和2所论述的随机数发生器的部件来实现的核心随机元件；以及图5到8说明了依照本专利技术的随机数发生器的不同实施方案。具体实施例方式本专利技术认识到外部噪声将以相同方式影响较大的随机数发生器中的多个触发器，因为它们在物理上很接近。因而，本专利技术通过引入多个触发器降低了利用外部噪声来影响随机数发生器的操作的能力，这些触发器被实现为核心随机元件的集合，每个核心随机元件400由几个触发器组成。下面结合图4进一步论述核心随机元件。更准确地说，本专利技术认识到如果核心随机元件400中的一个受到噪声影响，核心随机元件400的全部(或大部)也将受到噪声影响。因而，如果多个核心随机元件400像(例如)由异或门(“XOR”)或检测所产生位的另一个门检测到的那样同时产生了一个位，就存在随机数发生器受噪声影响的可能，并且丢弃所产生的位。因而，本专利技术引入了一种或多种机制以确保随机位不是在核心随机元件400的全部(或大部)同时产生一个位时被产生的。下面的论述被如下组织。首先，在题为“使用亚-稳定触发器的随机数发生器”一节论述多种合适的核心随机元件。随后，图4根据(如)结合图1到图3所论述的随机数发生器100、200来说明更通用概念的核心随机元件400。最后，在题为“防止随机数受外部噪声影响”一节论述本专利技术的噪声影响降低技术。使用亚-稳定触发器的随机数发生器图1A说明了依照2000年3月6日提交的题为“使用触发器亚-稳态来产生随机数的方法和设备”的美国专利申请序列号09/519,549的随机数发生器100。随机数发生器100通过标记一半的“0”为“1”、标记另一半的“0”为“0”来提供随机输出位的平均分布。另外，一半的“1”被标为“1”，另一半“1”被标为“0”。如图1A所示，随机数发生器100包括触发器110、延迟115、120、D-型触发器125、132和时钟振荡器130。触发器110由故意破坏触发器的建立时间或保持时间(或二者)的输入提供时钟以确保亚-稳定特性。例如，可以用延迟115、120来破坏建立时间或保持时间。触发器110可以实现为D型、T型或JK型触发器。另外，触发器110可以实现为简单的锁存器以及略有不同的电路，这些对于本领域的技术人员都是很显然的。时钟信号是由时钟振荡器130和D-型触发器125产生的，D-型触发器的Qbar输出被反馈回它的D输入以将时钟除以2。这样，D型触发器125使用和T型触发器相同的方式操作(双态输出)，以提供除2机制。因而，触发器110的D输入由交替的“1”和“0”驱动。附加的除2触发器132产生标记信号，如图1C所示，该信号标记波形输入中“0”的一半为“1”，标记另一半“0”为“0”。在图1A和图1C中看得最清楚，由时钟振荡器130产生的波形时钟是在图1中标记为“时钟”的采样点获得的。由除2触发器125产生的波形输入是在图1A中标记为“输入”的采样点获得的。由延迟115产生的波形输入D(破坏了触发器的建立时间)和由延迟120产生的波形输入时钟是在图1A中对应的采样点获得的。由除2触发器132产生的波形标记是在图1A中标记为“标记”的采样点获得的。如图1C所示，由延迟115、120对建立时间或保持时间(或二者)的破坏确保了触发器110将显示出亚-稳定特性，像波形亚稳定输出所示范的那样。下面将进一步论述触发器110的亚-稳定操作提供产生随机数的机制。作为来自延迟115、120、触发器本身的内在延迟，以及(更重要的)来自亚-稳定特性的非统一延迟的延迟结果，波形亚稳定输出没有被同步到波形时钟。因而，为了使图1A的随机数发生器适合同步应用，就在图1B中提供了一种说明性的机制来用波形时钟同步波形亚稳定输出。注意图1A和图1B的电路是通过联结相似字母的圆圈而连接在一起的。图1B中所示的同步电路135包括多个串联触发器140-142，选择它们以便轻易进入亚-稳定状态。另外，如果这些触发器140-142中的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生随机数的方法，包括下列步骤：　　　　操作处于亚－稳定状态的多个触发器（４００）；　　　　如果所述触发器（４００）之一进入所述亚－稳定状态就产生一个随机位；　　　　如果在预定的时间间隔中，所述多个触发器（４００）中有不止一个进入了亚－稳定状态，就阻止随机位的产生。

【技术特征摘要】
US 2001-11-29 09/998,0501.一种产生随机数的方法，包括下列步骤操作处于亚-稳定状态的多个触发器(400)；如果所述触发器(400)之一进入所述亚-稳定状态就产生一个随机位；如果在预定的时间间隔中，所述多个触发器(400)中有不止一个进入了亚-稳定状态，就阻止随机位的产生。2.权利要求1的方法，其中所述触发器(400)是并行驱动的。3.权利要求1的方法，其中所述触发器(400)中至少有一个被连接到所述触发器(400)中的至少另一个。4.权利要求1的方法，其中所述阻止步骤是由一个或多个异或(XOR)电路(540、550、560)实现的。5.权利要求1的方法，其中所述产生步骤还包括如果触发器(400)中某一个的输出不匹配所施加的输入就选择一个随机位的步骤。6.权利要求1的方法，还包括步骤用本地时钟源(530)同步触发器(400)中每一个的输出。7.权利要求6的方法，执行所述同步步骤的同步电路(430)比所述触发器更难于变成亚-稳定。8.权利要求1的方法，还包括步骤收集多个随机位以产生随机数。9.权利要求1的方法，还包括步骤反转第二个触发器(400-2)的输入信号以确保所述第二个触发器(400-2)不会与第一个触发器有相同输入信号。10.随机数发生器(500)，包括多个触发器(400)，以亚-稳定状态操作，以在所述触发器(400)之一进入亚-稳定状态时产生一个随机位；以及装置(540、550、560)，如果在预定时间间隔内...

【专利技术属性】
技术研发人员：A维梅斯基奇，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]