一种高吞吐率自治布尔网络真随机数发生器

真随机数发生器在硬件与信息安全领域具有广泛的应用前景。为提高真随机数发生器的吞吐率与降低硬件开销,以相互耦合的基本逻辑单元构成自治布尔网络做熵源,利用一阶高频振荡环增强网络刷新频率和多级非线性放大,从而获得高熵值混沌信号,结合DFF和XOR组成的后处理电路,设计构成真随机数发生器并在FPGA平台上实现。通过数据的采样和实时提取,然后对数据执行NIST SP800-22和SP800-90B随机性测试,并对其偏移度、自相关性及最大李雅普诺夫指数等性能进行评估。结果表明,真随机数发生器能够以600 Mbit/s的吞吐率产生熵值0.994847 bit/sample的随机数序列,而且具有低的偏移度和自相关性及较低的硬件开销。

基于自治布尔网络的高速物理随机数发生器研究

利用确定性的数学算法可产生快速伪随机数,然而其具有可预测性,难以确保信息安全。从混沌物理熵源中提取的物理随机数具有统计无偏和不可预测性,但是受限于传统混沌电路的带宽瓶颈,随机数的实时产生速率无法有效提高,为此,设计实现一种基于自治布尔网络的宽带混沌振荡器。研究结果表明:利用该装置可产生速率达10 Gbit/s的物理随机数序列;所产生的物理随机数序列具有良好的随机统计特性;该装置可便捷地应用于数据加密、高速保密通信等领域。

基于逻辑器件响应特性的自治布尔网络调控

自治布尔网络已成功应用于随机数产生、基因调控、储备池计算等领域.为了在应用中合理选择器件使输出更好地满足各应用的需求,本文研究了自治布尔网络中的逻辑器件响应特性变化时,自治布尔网络输出状态随之变化的规律,结果显示逻辑器件响应特性变化可以调控自治布尔网络输出在周期和混沌之间转变,且能改变自治布尔网络输出序列的复杂程度.进一步观察了逻辑器件响应特性和链路延时二维参数空间中输出序列复杂程度的分布,结果显示快的逻辑门响应特性可以增强高复杂序列在链路延时参数空间的分布范围.同时研究了自治布尔网络中任意逻辑器件的响应特性单独变化对网络输出状态的影响,结果显示不同节点的器件响应特性对序列复杂程度的调控能力有差异.研究表明,逻辑器件响应特性可以调控网络输出序列复杂程度,快的响应特性有利于高复杂混沌的稳定产生.

基于布尔混沌的物理随机数发生器

提出了一种利用布尔混沌熵源产生物理随机数的方法。采用二输入逻辑门构建无自反馈自治布尔网络,并详细分析了该网络动力学特性。在此基础上,利用FPGA实现了15节点无自反馈自治布尔网络,产生出带宽约680 MHz,最小熵接近于1的布尔混沌信号。以该信号为熵源,结合熵提取电路完成了实时速率达100 Mbit/s的物理随机数产生。NISTSP800-22及DIEHARD随机数检测结果表明,利用布尔混沌熵源产生的物理随机序列可通过所有测试项,具有良好的随机统计特性。

布尔混沌系统的物理随机性分析

为了分析布尔混沌系统的物理随机性,构建了基于自治布尔网络的电路混沌模型,建立了包含相位噪声特性的数学方程,研究了相位噪声对布尔混沌熵增长时间(记忆时间)的影响。研究结果表明,在相位噪声的影响下,布尔混沌输出将在有限的记忆时间(数十纳秒)后达到无法预测,且相位噪声越强,布尔混沌平均记忆时间越短。这证明了相位噪声是布尔混沌物理随机性的来源,且布尔混沌可以作为性能良好的真随机数物理熵源。

0.35μm高速真随机数芯片设计

设计了一种基于混合布尔网络的混沌真随机数发生器,其熵源由18节点自治布尔网络构成,用于产生高幅值(~3V)、大带宽(~780 MHz)的布尔混沌;利用同步布尔网络对布尔混沌进行采样、量化,最终实现了实时速率为100 Mbps的真随机数产生。同时完成了真随机数发生器的ASIC芯片设计,芯片采用中芯国际SMIC 0.35μm 3.3 V CMOS标准工艺,核心电路面积0.02 mm^2.利用Cadence Spectre仿真器,对芯片版图进行了后端仿真验证。仿真结果表明,该芯片可以在100 MHz时钟下输出满足随机性检测标准的真随机数序列。