本發(fā)明屬于數(shù)字電路，特別是涉及一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、現(xiàn)代社會對安全高效的通信交互需求呈指數(shù)級增長。隨機數(shù)生成器是許多安全通信系統(tǒng)的核心組件，其生成的隨機數(shù)扮演一種類似石油的重要角色被用于數(shù)字圖像加密、銀行數(shù)據(jù)管理的認證協(xié)議、硬件攻擊防護、訪問令牌生成等關鍵場景。根據(jù)生成隨機數(shù)的原理不同，隨機數(shù)發(fā)生器可以分為偽隨機數(shù)生成器(prngs，pseudo?random?numbergenerators)和真隨機數(shù)生成器(trngs，true?random?number?generators)。偽隨機數(shù)生成器輸出符合統(tǒng)計特征的隨機數(shù)的速度很快，且兼容多種系統(tǒng)平臺，但其結果可以被預測。trng生成的隨機數(shù)不可預測，且難以復現(xiàn)，因此它在防止攻擊者預測或逆向密鑰方面具有顯著優(yōu)勢。

2、trng的工作原理通常包括兩個主要步驟：首先，從物理現(xiàn)象中提取原始噪聲信號，然后通過后處理算法將這些信號轉換為均勻分布的隨機數(shù)。噪聲源的選擇和信號處理是trng的設計中的核心問題。常見的噪聲源包括熱噪聲、亞穩(wěn)態(tài)電路行為、量子隧穿效應等。這些物理現(xiàn)象的本質隨機性為trng提供了強大的基礎，但也帶來了設計上的挑戰(zhàn)。此外，trng的設計還需考慮資源利用率、功耗以及抗干擾能力等因素，尤其是在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中，設計一個高效、可靠的trng尤為重要。

3、目前已有的真隨機數(shù)生成器無法滿足現(xiàn)代保密通信“輕量級-高性能”的需求，存在缺點如：設計復雜、無法移植到其他硬件平臺、資源消耗多且吞吐量低等問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)及方法，以解決上述現(xiàn)有技術存在的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)，包括自迭代振蕩器，由若干級聯(lián)的自迭代振蕩單元構成，所述自迭代振蕩器中的第偶數(shù)個自迭代振蕩單元均連接有采樣模塊；

3、各所述采樣模塊遠離所述自迭代振蕩單元的一端均與異或處理模塊的輸入端連接，所述異或處理模塊的輸出端連接有服務器。

4、可選的，所述自迭代振蕩器由奇數(shù)個級聯(lián)的自迭代振蕩單元構成。

5、可選的，各所述自迭代振蕩單元均包括依次連接的兩輸入異或門和多路選擇器，所述多路選擇器內(nèi)集成有反相器。

6、可選的，所述采樣模塊采用d觸發(fā)器。

7、可選的，所述異或處理模塊的輸出端與所述服務器之間根據(jù)串行通信連接。

8、一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成方法，應用于所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)，包括：

9、步驟一：部署輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)；

10、步驟二：將奇數(shù)個自迭代振蕩單元級聯(lián)后，自迭代振蕩器開始工作并進入振蕩狀態(tài)，得到具有真隨機性的高頻振蕩信號；

11、步驟三：通過d觸發(fā)器采集所述高頻振蕩信號；

12、步驟四：將采集的高頻振蕩信號輸入異或處理模塊中進行異或運算，生成隨機數(shù)，并將生成的隨機數(shù)傳輸?shù)椒掌髦小?/p>

13、可選的，使所述自迭代振蕩器開始工作并進入振蕩狀態(tài)，具體包括：

14、將奇數(shù)個自迭代振蕩單元級聯(lián)后，自迭代振蕩器進入振蕩狀態(tài)產(chǎn)生隨機信號；

15、當所述自迭代振蕩器中各自迭代振蕩單元的當前輸出與上一狀態(tài)輸出不相同時，標記為t；

16、當所述自迭代振蕩器中各自迭代振蕩單元的當前輸出與上一狀態(tài)輸出相同時，標記為c；

17、當所述自迭代振蕩器的狀態(tài)存在標記c的時候，自迭代振蕩器為迭代工作狀態(tài)；

18、當所述自迭代振蕩器的中自迭代振蕩單元的狀態(tài)都為標記t的時候，自迭代振蕩器為振蕩工作狀態(tài)。

19、可選的，所述自迭代振蕩單元的輸出狀態(tài)包括：

20、當所述自迭代振蕩單元中兩輸入異或門的輸入端信號都為0時，輸出高電平；

21、當所述自迭代振蕩單元中兩輸入異或門的輸入端信號都為1時，輸出低電平；

22、當所述自迭代振蕩單元中兩輸入異或門的輸入端信號不同時，輸出狀態(tài)與上一狀態(tài)的輸出相反。

23、本發(fā)明的技術效果為：

24、本發(fā)明提供的真隨機數(shù)發(fā)生器，包括自迭代振蕩單元，用于組成自迭代振蕩器，自迭代振蕩器由十三個自迭代振蕩單元級聯(lián)構成，用于生成振蕩電路，使其產(chǎn)生具有真隨機性的高頻振蕩信號；六個d觸發(fā)器和一個六輸入異或門被用作采集電路，用于采集自迭代振蕩器并進行異或處理。

25、本發(fā)明已經(jīng)在現(xiàn)場可編程門陣列中實現(xiàn)，其生成的隨機數(shù)序列符合密碼學完全隨機性的特征。本發(fā)明結構簡單，采用基本邏輯器件即可實現(xiàn)，成本低，實用性強。

26、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的問題，提出了一種由自迭代振蕩器級連而成的真隨機數(shù)生成器，此真隨機數(shù)生成器僅需要13個查找表和6個觸發(fā)器即可在fpga平臺中實現(xiàn)高達300mbps的隨機數(shù)輸出速率，資源消耗與產(chǎn)出比優(yōu)異，適用于物聯(lián)網(wǎng)保密通信系統(tǒng)。

技術特征：

1.一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成器系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)，其特征在于，所述自迭代振蕩器由奇數(shù)個級聯(lián)的自迭代振蕩單元構成。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)，其特征在于，各所述自迭代振蕩單元均包括依次連接的兩輸入異或門和多路選擇器，所述多路選擇器內(nèi)集成有反相器。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣模塊采用d觸發(fā)器。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)，其特征在于，所述異或處理模塊的輸出端與所述服務器之間根據(jù)串行通信連接。

6.一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成方法，應用于權利要求1-5中任一項所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成方法，其特征在于，使所述自迭代振蕩器開始工作并進入振蕩狀態(tài)，具體包括：

8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成方法，其特征在于，所述自迭代振蕩單元的輸出狀態(tài)包括：

技術總結
本發(fā)明屬于數(shù)字電路技術領域，并公開了一種基于數(shù)字電路的輕量級真隨機數(shù)生成系統(tǒng)及方法，包括自迭代振蕩器，由若干級聯(lián)的自迭代振蕩單元構成，所述自迭代振蕩器中的第偶數(shù)個自迭代振蕩單元均連接有采樣模塊；各所述采樣模塊遠離所述自迭代振蕩單元的一端均與異或處理模塊的輸入端連接，所述異或處理模塊的輸出端連接有服務器。本發(fā)明所述技術方案結構簡單，采用基本邏輯器件即可實現(xiàn)，且資源消耗與產(chǎn)出比優(yōu)異，適用于物聯(lián)網(wǎng)保密通信系統(tǒng)。

技術研發(fā)人員：關釗雄,賴華東,劉洺辛,趙黎明,羅朋,楊燕霞
受保護的技術使用者：廣東海洋大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/23