[发明专利]一种真随机数生成器以及真随机数生成方法

说明书

本发明涉及信息安全技术领域，本发明提供一种真随机数生成器以及真随机数生成方法，包括至少两组压控延时单元、至少一个环形振荡器、一组D触发器和译码器，其中，每一组压控延时单元中所包含的各个压控延时单元首尾相连，组内的各个压控延时单元共享一个参考电压。本发明利用环形振荡器做为熵源，通过使用一个环形振荡器即可完成随机数生成，降低了实际应用成本，同时，通过利用计算机系统时钟做为参考时钟RefCL输入，将系统时钟作为对比波形，还具有更低的硬件资源消耗与功耗，另外，使用本发明产生的随机数，随机数产生效率高，随机性好，还具有较高的吞吐率和较低的熵损。

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，特别是涉及一种真随机数生成器以及真随机数生成方法。

背景技术

产生随机数有多种不同的方法，这些产生随机数的方法被统称为随机数生成器(Random Number Generator，RNG)，随机数生成器一般用于生成随机数、密钥、Nonce等关键要素，是安全芯片、系统的重要组成部分，同时，随机数还被广泛用于机器学习、加密通信、博彩等领域。这些应用对随机数生成器所生成随机数的随机性、吞吐率等特性提出了较高的要求。随机数生成器的设计直接决定了安全系统的安全性。

随机数最重要的特性是它在产生时，后面的那个数与前面的那个数毫无关系，真正的随机数是使用物理现象产生的，例如，掷钱币、骰子、转轮、使用电子元件的噪音、核裂变等等，这样的随机数生成器通常称为真随机数生成器(True Random Number Generator，TRNG)，它们的缺点是技术要求比较高；而在实际应用中通常使用伪随机数，伪随机数实际上是通过一个固定的、可以重复的计算方法产生的，可以用计算机大量生成计算出来的，在计算伪随机数时，若使用的初值(种子值)不变，那么伪随机数的数序也不变，伪随机数不是真正地随机，但也具有类似于随机数的统计特征，这样的随机数生成器通常称为伪随机数生成器(Pseudo Random Number Generator，PRNG)。

目前，随机数生成器的实现方式主要由以下几种：(1)将电磁噪声、电阻的热噪声等器件噪声直接放大，从而生成随机数；(2)基于反相器对等器件的亚稳态生成随机数；(3)基于环形振荡器(Ring Oscillator，RO)等器件的抖动生成随机数。其中，基于环形振荡器的抖动生成随机数的方案应用较为广泛，其优势在于，该结构具有较简单，且能够使用数字电路来实现，可以方便、灵活的在FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)和ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)上实现，对不同的工艺都具有较好的适用性。如图1所示，是传统基于环形振荡器的真随机数生成器结构示意图，传统基于环形振荡器的真随机数生成器以混沌源做为熵源，通过一个慢速环形振荡器来采样快速环形振荡器来实现，该结构具体有如下要求：(1)只有在下侧的慢速环形振荡器的抖动周期大于上侧的环形振荡器的输出波形周期时，才能出现真随机数的输出；(2)同时，为了放大下侧环形振荡器的抖动，在后处理环节，需要在电路中增加放大器相关结构，因此，该结构熵损大、功耗大，面积也大。可以看出，传统基于环形振荡器的真随机数生成器，应用了两个环形振荡器，其相对成本也较高，另外，该结构随机数的输出速度决定于下侧慢速的环形振荡器，这也限制了随机数生成的吞吐率。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明首要解决的技术问题是：传统基于环形振荡器的真随机数生成器，其至少需要两个环形振荡器，需要相对较高的成本且功耗大的问题。

本发明进一步要解决的技术问题是：传统基于环形振荡器的真随机数生成器，其吞吐率低、熵损大，随机数产生效率降低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：