一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统及方法

本发明属于数字电路，特别是涉及一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统及方法。

背景技术：

1、现代社会对安全高效的通信交互需求呈指数级增长。随机数生成器是许多安全通信系统的核心组件，其生成的随机数扮演一种类似石油的重要角色被用于数字图像加密、银行数据管理的认证协议、硬件攻击防护、访问令牌生成等关键场景。根据生成随机数的原理不同，随机数发生器可以分为伪随机数生成器(prngs，pseudo random numbergenerators)和真随机数生成器(trngs，true random number generators)。伪随机数生成器输出符合统计特征的随机数的速度很快，且兼容多种系统平台，但其结果可以被预测。trng生成的随机数不可预测，且难以复现，因此它在防止攻击者预测或逆向密钥方面具有显著优势。

2、trng的工作原理通常包括两个主要步骤：首先，从物理现象中提取原始噪声信号，然后通过后处理算法将这些信号转换为均匀分布的随机数。噪声源的选择和信号处理是trng的设计中的核心问题。常见的噪声源包括热噪声、亚稳态电路行为、量子隧穿效应等。这些物理现象的本质随机性为trng提供了强大的基础，但也带来了设计上的挑战。此外，trng的设计还需考虑资源利用率、功耗以及抗干扰能力等因素，尤其是在资源受限的嵌入式系统中，设计一个高效、可靠的trng尤为重要。

3、目前已有的真随机数生成器无法满足现代保密通信“轻量级-高性能”的需求，存在缺点如：设计复杂、无法移植到其他硬件平台、资源消耗多且吞吐量低等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统，包括自迭代振荡器，由若干级联的自迭代振荡单元构成，所述自迭代振荡器中的第偶数个自迭代振荡单元均连接有采样模块；

3、各所述采样模块远离所述自迭代振荡单元的一端均与异或处理模块的输入端连接，所述异或处理模块的输出端连接有服务器。

4、可选的，所述自迭代振荡器由奇数个级联的自迭代振荡单元构成。

5、可选的，各所述自迭代振荡单元均包括依次连接的两输入异或门和多路选择器，所述多路选择器内集成有反相器。

6、可选的，所述采样模块采用d触发器。

7、可选的，所述异或处理模块的输出端与所述服务器之间根据串行通信连接。

8、一种基于数字电路的轻量级真随机数生成方法，应用于所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统，包括：

9、步骤一：部署轻量级真随机数生成系统；

10、步骤二：将奇数个自迭代振荡单元级联后，自迭代振荡器开始工作并进入振荡状态，得到具有真随机性的高频振荡信号；

11、步骤三：通过d触发器采集所述高频振荡信号；

12、步骤四：将采集的高频振荡信号输入异或处理模块中进行异或运算，生成随机数，并将生成的随机数传输到服务器中。

13、可选的，使所述自迭代振荡器开始工作并进入振荡状态，具体包括：

14、将奇数个自迭代振荡单元级联后，自迭代振荡器进入振荡状态产生随机信号；

15、当所述自迭代振荡器中各自迭代振荡单元的当前输出与上一状态输出不相同时，标记为t；

16、当所述自迭代振荡器中各自迭代振荡单元的当前输出与上一状态输出相同时，标记为c；

17、当所述自迭代振荡器的状态存在标记c的时候，自迭代振荡器为迭代工作状态；

18、当所述自迭代振荡器的中自迭代振荡单元的状态都为标记t的时候，自迭代振荡器为振荡工作状态。

19、可选的，所述自迭代振荡单元的输出状态包括：

20、当所述自迭代振荡单元中两输入异或门的输入端信号都为0时，输出高电平；

21、当所述自迭代振荡单元中两输入异或门的输入端信号都为1时，输出低电平；

22、当所述自迭代振荡单元中两输入异或门的输入端信号不同时，输出状态与上一状态的输出相反。

23、本发明的技术效果为：

24、本发明提供的真随机数发生器，包括自迭代振荡单元，用于组成自迭代振荡器，自迭代振荡器由十三个自迭代振荡单元级联构成，用于生成振荡电路，使其产生具有真随机性的高频振荡信号；六个d触发器和一个六输入异或门被用作采集电路，用于采集自迭代振荡器并进行异或处理。

25、本发明已经在现场可编程门阵列中实现，其生成的随机数序列符合密码学完全随机性的特征。本发明结构简单，采用基本逻辑器件即可实现，成本低，实用性强。

26、本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种由自迭代振荡器级连而成的真随机数生成器，此真随机数生成器仅需要13个查找表和6个触发器即可在fpga平台中实现高达300mbps的随机数输出速率，资源消耗与产出比优异，适用于物联网保密通信系统。

技术特征：

1.一种基于数字电路的轻量级真随机数生成器系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统，其特征在于，所述自迭代振荡器由奇数个级联的自迭代振荡单元构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统，其特征在于，各所述自迭代振荡单元均包括依次连接的两输入异或门和多路选择器，所述多路选择器内集成有反相器。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统，其特征在于，所述采样模块采用d触发器。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统，其特征在于，所述异或处理模块的输出端与所述服务器之间根据串行通信连接。

6.一种基于数字电路的轻量级真随机数生成方法，应用于权利要求1-5中任一项所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成方法，其特征在于，使所述自迭代振荡器开始工作并进入振荡状态，具体包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于数字电路的轻量级真随机数生成方法，其特征在于，所述自迭代振荡单元的输出状态包括：

技术总结本发明属于数字电路技术领域，并公开了一种基于数字电路的轻量级真随机数生成系统及方法，包括自迭代振荡器，由若干级联的自迭代振荡单元构成，所述自迭代振荡器中的第偶数个自迭代振荡单元均连接有采样模块；各所述采样模块远离所述自迭代振荡单元的一端均与异或处理模块的输入端连接，所述异或处理模块的输出端连接有服务器。本发明所述技术方案结构简单，采用基本逻辑器件即可实现，且资源消耗与产出比优异，适用于物联网保密通信系统。技术研发人员：关钊雄,赖华东,刘洺辛,赵黎明,罗朋,杨燕霞受保护的技术使用者：广东海洋大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23