一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器制造技术

本发明专利技术一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，属于集成电路技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种多熵源随机数发生器硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括8个相互独立且分散布局的数据产生模块，每个数据产生模块结构完全相同，能够生成三种物理熵源，用于产生物理随机数或者物理不可克隆函数的响应；通过总线对每一个数据产生模块进行配置，决定每个数据产生模块的工作状态，当8个数据产生模块都工作在随机数模式且包含三种物理熵源时，经过异或处理后得到随机数；当选中其中某一数据产生模块，并且工作于物理不可克隆函数功能时，通过总线完成激励的写入和响应的读取；本发明专利技术应用于随机数发生器。于随机数发生器。于随机数发生器。

【技术实现步骤摘要】
一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器


[0001]本专利技术一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，属于集成电路


技术介绍

[0002]随机数发生器（Random Number Generator, RNG）是密码系统的关键组件，用于生成随机种子和密钥，密钥与网络的安全性密切相关，常用于对传输信息进行加密和解密。此外，随机数发生器还应用于生成填充位、生成差分功率分析的掩码、生成一次性密码、实现统计模拟等。但是现有的随机数发生器由于其结构复杂，且随机数熵源单一，不可编程，使产生的随机数安全性较低，因此，需要提出一种结构简单、易集成的具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器硬件结构的改进。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，包括8个相互独立且分散布局的数据产生模块，每个数据产生模块结构完全相同，能够生成三种物理熵源，用于产生物理随机数或者物理不可克隆函数的响应；通过总线对每一个数据产生模块进行配置，决定每个数据产生模块的工作状态，当8个数据产生模块都工作在随机数模式且包含三种物理熵源时，经过异或处理后得到随机数；当选中其中的某一数据产生模块，并且工作于物理不可克隆函数功能时，通过总线完成激励的写入和响应的读取；其中三种物理熵源分别为布尔网络熵源、环形振荡器熵源、亚稳态熵源。
[0005]所述数据产生模块通过总线连接而成，微处理器或者微控制器通过总线完成对各个数据产生模块的配置，运行随机数发生器功能时，8比特随机数经过异或运算后作为最终输出；运行物理不可克隆函数功能时，通过总线选中某一数据产生模块，进行配置信息、写入激励和读取响应；数据产生模块中的BUS Interface模块完成信息的交互，接收微处理器或者微控制器发送的指令信息，输出function作为配置信息给CTRL模块。
[0006]所述数据产生模块包括混合网络、CTRL模块、后处理模块，所述控制模块通过控制信号使混合网络产生三种物理熵源中的任意一种或产生物理不可克隆函数的响应，经过熵源采集和后处理模块输出随机数或者通过总线读取物理不可克隆函数的响应；所述混合网络包括8个HXOR单元和1个HXNOR单元。
[0007]所述物理不可克隆函数在混合网络变换为布尔网络的基础上，将HXOR单元输出节点的初始状态作为激励，并将布尔网络的混沌瞬态作为响应，构成了激励响应对。
[0008]当运行布尔网络熵源时，HXOR/HXNOR单元将输入信号previous、next执行逻辑异或/同或后输出信号out，任意一个HXOR/HXNOR单元的输出out连接到前一个单元的输入next，同时连接到后一个单元的输入previous，构成布尔网络结构产生混沌信号。
[0009]当运行环形振荡器熵源时，任意一个HXOR/HXNOR单元将输入信号previous执行逻辑非运算输出信号out，所有的HXOR/HXNOR单元将在布尔网络的互联基础上变化为9个反相器构成的环形振荡器，构成基于环形振荡器的熵源结构。
[0010]当运行亚稳态熵源时，每个HXOR/HXNOR单元中的反馈回路，等效为单个反相器与多路选择器组成的回路，HXOR/HXNOR单元输出信号呈现出不稳定的状态，即构成亚稳态熵源。
[0011]当电路运行物理不可克隆函数功能时，CTRL模块将激励信号写入到8个HXOR单元中，控制信号跳转为布尔网络熵源的控制信号的同时，CTRL模块发出一个采样脉冲，经过延迟模块后采集布尔网络的输出作为BN
‑
PUF的响应。
[0012]所述延迟模块由偶数个反相器级联组成。
[0013]所述后处理模块将采集到的随机值进行逻辑异或运算，再使用线性反馈移位寄存器去除随机比特位之间的偏差。
[0014]本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：本专利技术提供的具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器全部由数字逻辑电路组成，具有结构简单易于实现的优势，可广泛应用于保密通信、密钥分发、数据加密等信息安全领域，可在现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)上实现与验证，为同类芯片设计实现提供原型支持。
附图说明
[0015]下面结合附图对本专利技术做进一步说明：图1为本专利技术多熵源随机数发生器的结构示意图；图2为本专利技术数据产生模块的结构示意图；图3为本专利技术混合网络中HXOR单元、HXNOR单元的结构示意图；图4为本专利技术控制逻辑的状态转移图；图5为本专利技术后处理模块的结构示意图。
具体实施方式
[0016]如图1至图5所示，本专利技术一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，包括8个相互独立且分散布局的数据产生模块，每个数据产生模块结构完全相同，能够生成三种物理熵源，用于产生物理随机数或者物理不可克隆函数的响应；通过总线对每一个数据产生模块进行配置，决定每个数据产生模块的工作状态，当8个数据产生模块都工作在随机数模式且包含三种物理熵源时，经过异或处理后得到随机数；当选中其中的某一数据产生模块，并且工作于物理不可克隆函数功能时，通过总
线完成激励的写入和响应的读取；其中三种物理熵源分别为布尔网络熵源、环形振荡器熵源、亚稳态熵源。
[0017]所述数据产生模块通过总线连接而成，微处理器或者微控制器通过总线完成对各个数据产生模块的配置，运行随机数发生器功能时，8比特随机数经过异或运算后作为最终输出；运行物理不可克隆函数功能时，通过总线选中某一数据产生模块，进行配置信息、写入激励和读取响应；数据产生模块中的BUS Interface模块完成信息的交互，接收微处理器或者微控制器发送的指令信息，输出function作为配置信息给CTRL模块。
[0018]所述数据产生模块包括混合网络、CTRL模块、后处理模块，所述控制模块通过控制信号使混合网络产生三种物理熵源中的任意一种或产生物理不可克隆函数的响应，经过熵源采集和后处理模块输出随机数或者通过总线读取物理不可克隆函数的响应；所述混合网络包括8个HXOR单元和1个HXNOR单元。
[0019]所述物理不可克隆函数在混合网络变换为布尔网络的基础上，将HXOR单元输出节点的初始状态作为激励，并将布尔网络的混沌瞬态作为响应，构成了激励响应对。
[0020]当运行布尔网络熵源时，HXOR/HXNOR单元将输入信号previous、next执行逻辑异或/同或后输出信号out，任意一个HXOR/HXNOR单元的输出out连接到前一个单元的输入next，同时连接到后一个单元的输入previous，构成布尔网络结构产生混沌信号。
[0021]当运行环形振荡器熵源时，任意一个HXOR/HXNOR单元将输入信号previous执行逻辑非运算输出信号out本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，其特征在于：包括8个相互独立且分散布局的数据产生模块，每个数据产生模块结构完全相同，能够生成三种物理熵源，用于产生物理随机数或者物理不可克隆函数的响应；通过总线对每一个数据产生模块进行配置，决定每个数据产生模块的工作状态，当8个数据产生模块都工作在随机数模式且包含三种物理熵源时，经过异或处理后得到随机数；当选中其中的某一数据产生模块，并且工作于物理不可克隆函数功能时，通过总线完成激励的写入和响应的读取；其中三种物理熵源分别为布尔网络熵源、环形振荡器熵源、亚稳态熵源。2.根据权利要求1所述的一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，其特征在于：所述数据产生模块通过总线连接而成，微处理器或者微控制器通过总线完成对各个数据产生模块的配置，运行随机数发生器功能时，8比特随机数经过异或运算后作为最终输出；运行物理不可克隆函数功能时，通过总线选中某一数据产生模块，进行配置信息、写入激励和读取响应；数据产生模块中的BUS Interface模块完成信息的交互，接收微处理器或者微控制器发送的指令信息，输出function作为配置信息给CTRL模块。3.根据权利要求2所述的一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，其特征在于：所述数据产生模块包括混合网络、CTRL模块、后处理模块，所述控制模块通过控制信号使混合网络产生三种物理熵源中的任意一种或产生物理不可克隆函数的响应，经过熵源采集和后处理模块输出随机数或者通过总线读取物理不可克隆函数的响应；所述混合网络包括8个HXOR和1个HXNOR单元。4.根据权利要求3所述的一种具备物理不可克隆函数功能的多熵源随机数发生器，其特征在于：所述物理不可克隆函数在混合网络变换为布尔网络的基础上，将HXOR单元输出节点的初始状态作为激励，并将布尔网络的混沌瞬态作为响应，构成了激励响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建国，李创业，牛晨丰，李璞，王安帮，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：