隨機數(shù)無處不在。隨機現(xiàn)象存在在人們生活的各個角落。在信息學領域,隨機數(shù)最為重要和廣泛的應用是用來生成密碼算法的密鑰,無論是對稱公鑰密碼算法中的AES算法,DES算法,非對稱公鑰密碼算法中的RSA算法,ECC算法等。都需要一個絕對安全無法被猜中的密鑰來保證密碼算法體系的絕對安全。作為最近最為火熱的技術,隨著比特幣的興起與廣泛使用,與之相關的區(qū)塊鏈技術更是將遠程加密通信的安全性,終端信息存儲的安全性要求提到了一個新的高度,因此作為產(chǎn)生隨機數(shù)的載體——隨機數(shù)發(fā)生器的設計成為了近年來密碼學領域研究的熱點。本文系統(tǒng)總結了可以應用在終端設備上的,在集成電路上實現(xiàn)的真隨機數(shù)發(fā)生器的設計方法,真隨機數(shù)發(fā)生器的后處理方法,目前被廣泛使用的針對安全芯片的隨機數(shù)發(fā)生器的檢測標準,以及隨機數(shù)發(fā)生器模塊的在線測試設計;針對隨機數(shù)發(fā)生器在工業(yè)界設計中存在的一些難點,提出了相應的設計改進措施以及新的隨機數(shù)發(fā)生器設計方法。具體表現(xiàn)為為了提高設計效率,對基于振蕩采樣真隨機數(shù)發(fā)生器進行數(shù)學建模,并分析關鍵參數(shù)對隨機數(shù)發(fā)生器輸出序列隨機性的影響。為了減弱高頻振蕩器占空比的偏差對隨機性的影響,應用分頻器實現(xiàn)了改進版的設計方案...

【文章頁數(shù)】：142 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 安全系統(tǒng)的安全性
    1.2 隨機數(shù)的概念
        1.2.1 隨機性
        1.2.2 不確定性
        1.2.3 真隨機數(shù)發(fā)生器
        1.2.4 偽隨機數(shù)發(fā)生器
    1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
    1.4 隨機數(shù)發(fā)生器設計的關鍵點及難點
    1.5 論文的主要工作
第二章 真隨機數(shù)發(fā)生器的設計
    2.1 數(shù)學背景
        2.1.1 隨機變量和偏置
        2.1.2 熵
        2.1.3 隨機模型
    2.2 真隨機數(shù)發(fā)生器的定義
    2.3 真隨機數(shù)發(fā)生器的設計目標
        2.3.1 FIPS140-2統(tǒng)計測試方法
        2.3.2 AIS31統(tǒng)計測試方法
    2.4 常見的真隨機數(shù)發(fā)生器設計方法
        2.4.1 熱噪聲放大法
        2.4.2 基于環(huán)形振蕩器相位抖動采樣法
        2.4.3 混沌電路法
        2.4.4 基于亞穩(wěn)態(tài)的真隨機數(shù)發(fā)生器設計方法
        2.4.5 基于量子的真隨機數(shù)發(fā)生器設計方法
    2.5 真隨機數(shù)發(fā)生器的后處理方法
        2.5.1 基于算法的后處理方法
        2.5.2 基于加密原語的后處理方法
        2.5.3 基于偽隨機數(shù)發(fā)生器的后處理方法
    2.6 本章小結
第三章 基于振蕩采樣的真隨機數(shù)發(fā)生器設計與優(yōu)化
    3.1 幾種基于振蕩采樣真隨機數(shù)發(fā)生器設計方法的概述
        3.1.1 摩托羅拉真隨機數(shù)發(fā)生器
        3.1.2 基于過渡效應環(huán)形振蕩器的設計方法
        3.1.3 開環(huán)真隨機數(shù)發(fā)生器的設計方法
        3.1.4 基于環(huán)形振蕩器的設計方法
    3.2 基于振蕩采樣真隨機數(shù)發(fā)生器設計方法的數(shù)學建模
        3.2.1 基于馬爾科夫過程的數(shù)學建模方法
        3.2.2 利用馬爾科夫過程的數(shù)學模型進行最壞結果分析
        3.2.3 對基于馬爾科夫過程的數(shù)學模型的撲克測試結果分析
        3.2.4 對基于馬爾科夫過程的數(shù)學建模方法的優(yōu)化與改進
    3.3 基于振蕩采樣設計方法的關鍵參數(shù)分析
        3.3.1 慢時鐘信號相位抖動
        3.3.2 快時鐘信號占空比
        3.3.3 快時鐘信號頻率與慢時鐘信號頻率比
    3.4 對基于振蕩采樣隨機數(shù)發(fā)生器設計方法的改善
    3.5 與傳統(tǒng)建模設計方法的對比
    3.6 本章小結
第四章 基于三維雙螺旋的混沌真隨機數(shù)發(fā)生器設計方法與優(yōu)化
    4.1 混沌電路理論
        4.1.1 混沌電路設計方法
        4.1.2 李雅普諾夫指數(shù)
    4.2 混沌真隨機數(shù)發(fā)生器的設計
        4.2.1 計算機偽隨機數(shù)法
        4.2.2 模擬電路法
    4.3 基于三維雙螺旋的混沌真隨機數(shù)發(fā)生器設計方法
    4.4 軟件仿真測試與安全性分析
        4.4.1 軟件仿真測試
        4.4.2 安全性分析
    4.5 本章小結
第五章 基于動態(tài)平衡的真隨機數(shù)發(fā)生器的后處理方法設計
    5.1 基于算法的后處理方法的設計
        5.1.1 彈性校正器(A resilient corrector)
        5.1.2 線性碼糾正器(A linear code corrector)
    5.2 基于偽隨機數(shù)發(fā)生器的后處理方法的設計
        5.2.1 線性反饋移位寄存器法
    5.3 基于動態(tài)平衡的后處理方法設計思想
    5.4 基于動態(tài)平衡的后處理方法設計實現(xiàn)
    5.5 測試結果與分析
    5.6 本章小結
第六章 隨機數(shù)發(fā)生器的嵌入式測試方法
    6.1 完全故障測試
    6.2 在線測試
        6.2.1 對后處理模塊輸出的黑盒統(tǒng)計測試
        6.2.2 對于熵源輸出隨機數(shù)的在線測試設計
        6.2.3 對于熵源輸出隨機數(shù)的在線測試設計結果驗證
    6.3 本章小結
第七章 隨機數(shù)發(fā)生器的仿真測試與驗證
    7.1 基于振蕩采樣隨機源的仿真測試與驗證
        7.1.1 低頻振蕩器設計模塊
        7.1.2 隨機數(shù)發(fā)生器版圖設計
        7.1.3 隨機數(shù)發(fā)生器樣片測試
    7.2 基于混沌系統(tǒng)的隨機源的仿真測試與驗證
    7.3 隨機數(shù)發(fā)生器后處理方法的仿真測試與驗證
        7.3.1 Synopsys仿真測試結果
        7.3.2 FPGA仿真測試結果
第八章 全文總結及研究展望
    8.1 主要結論和貢獻
    8.2 研究展望
        8.2.1 短期研究展望
        8.2.2 長期研究展望
參考文獻
致謝
攻讀學位期間發(fā)表的學術論文
攻讀學位期間申請的專利



本文編號：3811754