[发明专利]一种由低速物理随机数产生高速物理随机数的方法及装置

说明书

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种由低速物理随机数产生高速物理随机数的方法及装置，包括时钟模块、低速并行随机数阵列模块、吉比特收发器模块；通过并行低速率的物理随机数生器，利用吉比特收发器将低速物理随机数转换为高速物理随机数；本发明通过并行输出速率可控，位宽可调的低速物理随机数发生器实现了单路10Gbps高速物理随机数的输出，该物理随机数发生器的输出序列满足高速、实时产生的同时，具有良好的统计特性；物理随机数发生器所有组成部分全部集成于一块FPGA中，实现了高速物理随机数的小型化和集成化，适应当代通信技术、计算机技术以及芯片技术发展的需求。

技术领域

本发明涉及集成电路、密码芯片领域，尤其是一种由低速物理随机数产生高速物理随机数的方法及装置，适用于保密通信领域。

背景技术

随机数发生器是科学计算、随机实验、密码学和通信等众多领域的关键组成部分。特别在保密通信领域，数据通信的安全性在很大程度上取决于随机数的质量和数量。

完美的加密应该基于香农“一次一密”的理论，即加密密钥为真随机数，且加密密钥的长度不得少于明文长度，密钥只能使用一次。在如今高速信息传输的时代，要对高速传输的数据进行绝对安全的加密，需要能够实时产生大于或等于数据传输速率的高速真随机数。

基于算法产生的伪随机数由于输出序列的周期性和可预测性，不适合应用于保密通信领域。相比于伪随机数发生器，物理随机数发生器通过随机的物理过程或随机物理现象产生，可以输出无周期、不可预测的随机序列，能更好运用于保密通信领域中。

物理随机数发生器可通过很多方法实现，如利用电阻的热噪声、振荡器的频率抖动等产生高质量的物理随机数。此外还有利用混沌激光、量子效应的方法，其能够产生高速的物理随机数。基于上述方法实现的物理随机数，一些由于较低的速率，一些则因为庞大的体积，已经很难适应如今器件小型化、可集成化，G bps甚至T bps通信速率的发展需求。

因此，发明一种小型化、可集成化的高速、实时物理随机数的产生方法和装置有着及其重要的意义。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提出了一种由低速物理随机数产生高速物理随机数的方法及装置，以适应高速率保密通信的需求。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种由低速物理随机数产生高速物理随机数的装置，包括时钟模块、低速并行随机数阵列模块、吉比特收发器模块；所述低速并行随机数阵列模块为并行的多个低速物理随机数发生器，所述的多个低速物理随机数发生器形成随机数发生器阵列，所述随机数发生器阵列能够产生低速并行物理随机数；所述随机数发生器阵列与所述的吉比特收发器相连接，通过所述的吉比特收发器将所述的低速并行物理随机数串行化输出高速、实时物理随机数；所述时钟模块使用差分时钟作为主时钟，通过吉比特收发器所产生的时钟信号用以随机数模块所有D触发器的工作时钟及吉比特收发器的数据发送时钟。

所述的低速物理随机数发生器是利用基本数字逻辑器件构造，所述低速物理随机数发生器通过N个二输入异或门、N+1个三输入异或门和N个D触发器实现；N个二输入异或门的输出分别级联到相邻异或门的输入上，混沌模拟信号经异或门的输出节点输出；N+1个三输入异或门的一个输入连接在相应二输入异或门的输出上，其另外两个输入信号分别连接到相邻三输入异或门经D触发器的输出上，任选三路D触发器输出的信号经1个三输入异或门输出为具有良好统计特性的物理随机数，其中其中N为3的倍数，且N≥9。

优选的，所述的低速物理随机数发生器共64个，共同构造低速并行随机数发生器阵列。

优选的，所述的随机数发生器阵列和吉比特收发器集成于FPGA中，高速实时物理随机数通过吉比特收发器的一对差分输出口输出。