[发明专利]高速物理随机数产生装置与方法

说明书

本发明公开了一种高速物理随机数产生装置与方法，所述装置包括驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块；所述驱动模块产生初始挑战信号，并发送到所述超晶格模块；所述超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到所述熵提取模块；所述熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；所述输出模块输出所述真随机数至应用系统。本发明能够实现高速物理随机数的产生。

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，具体涉及一种高速物理随机数产生装置与方法。

背景技术

物理随机数发生器是现代信息安全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。物理随机数是从物理随机现象中提取的高质量随机序列，具有无周期性和不可预测性，在通信、密码学、保密通信等随机数质量要求严苛的领域具有重要价值，例如可用于会话密钥、伪随机种子、密码协议挑战及空白文本填充等安全应用。

超晶格器件具有电流混沌振荡现象，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，可用产生高质量的物理随机数。而且超晶格PUF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PUF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PUF具有特异性的挑战-响应关系。

目前的物理随机数产生技术中，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。基于光学等的物理随机数发生器，虽然可以实现极高的物理随机数发生速率，但需要复杂的系统实现机制，缺乏实用性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种高速物理随机数产生装置与方法，能够实现高速物理随机数的产生。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种高速物理随机数产生装置，包括：驱动模块、超晶格模块、熵提取模块和输出模块；

所述驱动模块产生初始挑战信号，并发送到所述超晶格模块；

所述超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到所述熵提取模块；

所述熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到所述输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；

所述输出模块输出真随机数至应用系统。

可选地，所述超晶格模块包括顺次相连的数模转换器、超晶格器件和模数转换器。

可选地，所述响应信号为原始随机序列；所述数模转换器将接收到的挑战信号转换为模拟波形，并利用所述模拟波形驱动超晶格器件产生混沌振荡，最后由模数转换器采样所述混沌振荡，并输出原始随机序列。

可选地，所述模数转换器的采样率远低于所述混沌振荡的带宽。

可选地，所述挑战信号不包含原始随机序列的信息。

第二方面，本发明提供了一种高速物理随机数产生方法，包括：

利用驱动模块产生初始挑战信号，发送到超晶格模块；

利用超晶格模块基于接收到的挑战信号，生成与挑战信号对应的响应信号，并送到熵提取模块；

利用熵提取模块从接收到的响应信号中提取真随机数，并传送到输出模块，同时将所述真随机数发送至驱动模块，供驱动模块生成下一轮挑战信号；

利用输出模块输出真随机数至应用系统。