面向安全加密系统的真随机数发生器的设计
发布时间：2023-05-08 01:59
随机数无处不在。随机现象存在在人们生活的各个角落。在信息学领域,随机数最为重要和广泛的应用是用来生成密码算法的密钥,无论是对称公钥密码算法中的AES算法,DES算法,非对称公钥密码算法中的RSA算法,ECC算法等。都需要一个绝对安全无法被猜中的密钥来保证密码算法体系的绝对安全。作为最近最为火热的技术,随着比特币的兴起与广泛使用,与之相关的区块链技术更是将远程加密通信的安全性,终端信息存储的安全性要求提到了一个新的高度,因此作为产生随机数的载体——随机数发生器的设计成为了近年来密码学领域研究的热点。本文系统总结了可以应用在终端设备上的,在集成电路上实现的真随机数发生器的设计方法,真随机数发生器的后处理方法,目前被广泛使用的针对安全芯片的随机数发生器的检测标准,以及随机数发生器模块的在线测试设计;针对随机数发生器在工业界设计中存在的一些难点,提出了相应的设计改进措施以及新的随机数发生器设计方法。具体表现为为了提高设计效率,对基于振荡采样真随机数发生器进行数学建模,并分析关键参数对随机数发生器输出序列随机性的影响。为了减弱高频振荡器占空比的偏差对随机性的影响,应用分频器实现了改进版的设计方案...
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 安全系统的安全性
1.2 随机数的概念
1.2.1 随机性
1.2.2 不确定性
1.2.3 真随机数发生器
1.2.4 伪随机数发生器
1.3 国内外的研究现状
1.4 随机数发生器设计的关键点及难点
1.5 论文的主要工作
第二章 真随机数发生器的设计
2.1 数学背景
2.1.1 随机变量和偏置
2.1.2 熵
2.1.3 随机模型
2.2 真随机数发生器的定义
2.3 真随机数发生器的设计目标
2.3.1 FIPS140-2统计测试方法
2.3.2 AIS31统计测试方法
2.4 常见的真随机数发生器设计方法
2.4.1 热噪声放大法
2.4.2 基于环形振荡器相位抖动采样法
2.4.3 混沌电路法
2.4.4 基于亚稳态的真随机数发生器设计方法
2.4.5 基于量子的真随机数发生器设计方法
2.5 真随机数发生器的后处理方法
2.5.1 基于算法的后处理方法
2.5.2 基于加密原语的后处理方法
2.5.3 基于伪随机数发生器的后处理方法
2.6 本章小结
第三章 基于振荡采样的真随机数发生器设计与优化
3.1 几种基于振荡采样真随机数发生器设计方法的概述
3.1.1 摩托罗拉真随机数发生器
3.1.2 基于过渡效应环形振荡器的设计方法
3.1.3 开环真随机数发生器的设计方法
3.1.4 基于环形振荡器的设计方法
3.2 基于振荡采样真随机数发生器设计方法的数学建模
3.2.1 基于马尔科夫过程的数学建模方法
3.2.2 利用马尔科夫过程的数学模型进行最坏结果分析
3.2.3 对基于马尔科夫过程的数学模型的扑克测试结果分析
3.2.4 对基于马尔科夫过程的数学建模方法的优化与改进
3.3 基于振荡采样设计方法的关键参数分析
3.3.1 慢时钟信号相位抖动
3.3.2 快时钟信号占空比
3.3.3 快时钟信号频率与慢时钟信号频率比
3.4 对基于振荡采样随机数发生器设计方法的改善
3.5 与传统建模设计方法的对比
3.6 本章小结
第四章 基于三维双螺旋的混沌真随机数发生器设计方法与优化
4.1 混沌电路理论
4.1.1 混沌电路设计方法
4.1.2 李雅普诺夫指数
4.2 混沌真随机数发生器的设计
4.2.1 计算机伪随机数法
4.2.2 模拟电路法
4.3 基于三维双螺旋的混沌真随机数发生器设计方法
4.4 软件仿真测试与安全性分析
4.4.1 软件仿真测试
4.4.2 安全性分析
4.5 本章小结
第五章 基于动态平衡的真随机数发生器的后处理方法设计
5.1 基于算法的后处理方法的设计
5.1.1 弹性校正器(A resilient corrector)
5.1.2 线性码纠正器(A linear code corrector)
5.2 基于伪随机数发生器的后处理方法的设计
5.2.1 线性反馈移位寄存器法
5.3 基于动态平衡的后处理方法设计思想
5.4 基于动态平衡的后处理方法设计实现
5.5 测试结果与分析
5.6 本章小结
第六章 随机数发生器的嵌入式测试方法
6.1 完全故障测试
6.2 在线测试
6.2.1 对后处理模块输出的黑盒统计测试
6.2.2 对于熵源输出随机数的在线测试设计
6.2.3 对于熵源输出随机数的在线测试设计结果验证
6.3 本章小结
第七章 随机数发生器的仿真测试与验证
7.1 基于振荡采样随机源的仿真测试与验证
7.1.1 低频振荡器设计模块
7.1.2 随机数发生器版图设计
7.1.3 随机数发生器样片测试
7.2 基于混沌系统的随机源的仿真测试与验证
7.3 随机数发生器后处理方法的仿真测试与验证
7.3.1 Synopsys仿真测试结果
7.3.2 FPGA仿真测试结果
第八章 全文总结及研究展望
8.1 主要结论和贡献
8.2 研究展望
8.2.1 短期研究展望
8.2.2 长期研究展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
攻读学位期间申请的专利
本文编号：3811754
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 安全系统的安全性
1.2 随机数的概念
1.2.1 随机性
1.2.2 不确定性
1.2.3 真随机数发生器
1.2.4 伪随机数发生器
1.3 国内外的研究现状
1.4 随机数发生器设计的关键点及难点
1.5 论文的主要工作
第二章 真随机数发生器的设计
2.1 数学背景
2.1.1 随机变量和偏置
2.1.2 熵
2.1.3 随机模型
2.2 真随机数发生器的定义
2.3 真随机数发生器的设计目标
2.3.1 FIPS140-2统计测试方法
2.3.2 AIS31统计测试方法
2.4 常见的真随机数发生器设计方法
2.4.1 热噪声放大法
2.4.2 基于环形振荡器相位抖动采样法
2.4.3 混沌电路法
2.4.4 基于亚稳态的真随机数发生器设计方法
2.4.5 基于量子的真随机数发生器设计方法
2.5 真随机数发生器的后处理方法
2.5.1 基于算法的后处理方法
2.5.2 基于加密原语的后处理方法
2.5.3 基于伪随机数发生器的后处理方法
2.6 本章小结
第三章 基于振荡采样的真随机数发生器设计与优化
3.1 几种基于振荡采样真随机数发生器设计方法的概述
3.1.1 摩托罗拉真随机数发生器
3.1.2 基于过渡效应环形振荡器的设计方法
3.1.3 开环真随机数发生器的设计方法
3.1.4 基于环形振荡器的设计方法
3.2 基于振荡采样真随机数发生器设计方法的数学建模
3.2.1 基于马尔科夫过程的数学建模方法
3.2.2 利用马尔科夫过程的数学模型进行最坏结果分析
3.2.3 对基于马尔科夫过程的数学模型的扑克测试结果分析
3.2.4 对基于马尔科夫过程的数学建模方法的优化与改进
3.3 基于振荡采样设计方法的关键参数分析
3.3.1 慢时钟信号相位抖动
3.3.2 快时钟信号占空比
3.3.3 快时钟信号频率与慢时钟信号频率比
3.4 对基于振荡采样随机数发生器设计方法的改善
3.5 与传统建模设计方法的对比
3.6 本章小结
第四章 基于三维双螺旋的混沌真随机数发生器设计方法与优化
4.1 混沌电路理论
4.1.1 混沌电路设计方法
4.1.2 李雅普诺夫指数
4.2 混沌真随机数发生器的设计
4.2.1 计算机伪随机数法
4.2.2 模拟电路法
4.3 基于三维双螺旋的混沌真随机数发生器设计方法
4.4 软件仿真测试与安全性分析
4.4.1 软件仿真测试
4.4.2 安全性分析
4.5 本章小结
第五章 基于动态平衡的真随机数发生器的后处理方法设计
5.1 基于算法的后处理方法的设计
5.1.1 弹性校正器(A resilient corrector)
5.1.2 线性码纠正器(A linear code corrector)
5.2 基于伪随机数发生器的后处理方法的设计
5.2.1 线性反馈移位寄存器法
5.3 基于动态平衡的后处理方法设计思想
5.4 基于动态平衡的后处理方法设计实现
5.5 测试结果与分析
5.6 本章小结
第六章 随机数发生器的嵌入式测试方法
6.1 完全故障测试
6.2 在线测试
6.2.1 对后处理模块输出的黑盒统计测试
6.2.2 对于熵源输出随机数的在线测试设计
6.2.3 对于熵源输出随机数的在线测试设计结果验证
6.3 本章小结
第七章 随机数发生器的仿真测试与验证
7.1 基于振荡采样随机源的仿真测试与验证
7.1.1 低频振荡器设计模块
7.1.2 随机数发生器版图设计
7.1.3 随机数发生器样片测试
7.2 基于混沌系统的随机源的仿真测试与验证
7.3 随机数发生器后处理方法的仿真测试与验证
7.3.1 Synopsys仿真测试结果
7.3.2 FPGA仿真测试结果
第八章 全文总结及研究展望
8.1 主要结论和贡献
8.2 研究展望
8.2.1 短期研究展望
8.2.2 长期研究展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
攻读学位期间申请的专利
本文编号：3811754
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