一种组合式随机数发生器的设计与实现

发布时间：2017-09-05 01:01

  本文关键词：一种组合式随机数发生器的设计与实现

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【摘要】：目前,随机数发生器在密码学领域中的应用越来越广泛,随着加密技术的发展,解密技术也迅速地发展着,有一些解密公司甚至声称只要有足够的时间和金钱就可以解密所有的加密芯片,本文设计的是可以具有成本效益且安全的随机数发生模块。本文设计了一种组合随机数序发生器,利用硬件电路和单片机STM32来实现数据采样、算法和数据处理功能,本文对随机序列的生成原理和相关的测试方法及标准进行了深入的研究和讨论。在硬件电路方面,利用了振荡采样法和直接放大法组合的方式来产生真随机数,在算法方面,首先,由真随机数模块提供随机的初始种子和参数;然后利用主算法生成“0”和“1”等概率的序列;其次,对产生的数据进行重新排序;最后,SHA_512安全散列算法是用来进一步发散序列,为序列增强随机性。该算法引入不确定度和高速转换,根据数据的奇偶性得到一组不规则的“0”和“1”序列,并减少了生成的数据之间的相关性,最后提出了一种输出机制,采用多种方式输出,利用数据缓存的方式,串行地输出两种生成方式不一的随机序列,提升了输出数据的不可测性,同时也能提升了随机数输出速率。为了评估设计随机数发生器输出数据的统计特性,提出了基于NIST SP 800-22国际标准检测项目检查的测试方案,针对系统内部与外部生成的序列进行检测,测试结果表明所设计的随机数发生器能产生随机性良好的数据。本文设计的组合式随机数发生器在串行输出状态时输出比特率达到了10Mbps,并通过了NIST SP800-22测试。除了可以满足项目的需要,还可以被应用在信息安全、交通安全,神经网络,计算随机模拟、数字系统内置的检测性能,游戏和电子政务和电子商务系统等领域。
【关键词】：随机数生成器 安全性 伪随机数 真随机数
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN918
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 选题背景与研究意义11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 论文的研究工作和内容结构安排13-15
• 第二章 随机数发生器的概念及原理15-35
• 2.1 随机数发生器的概念15-17
• 2.1.1 随机数的概念15
• 2.1.2 随机数发生器分类15-17
• 2.1.3 随机数发生器的特点17
• 2.2 随机数发生器的原理17-34
• 2.2.1 伪随机数发生器的原理17-23
• 2.2.2 真随机数发生器的原理23-28
• 2.2.3 数据处理原理28-34
• 2.3 本章小结34-35
• 第三章 随机数发生器需求分析及系统架构35-45
• 3.1 随机数发生器的需求35-38
• 3.1.1 一次一证技术35-36
• 3.1.2 商品防伪认证系统架构36-38
• 3.1.3 需求分析38
• 3.2 随机数发生器的指标38-40
• 3.3 随机数发生器的架构设计40-45
• 3.3.1 真随机数发生器的分析40-41
• 3.3.2 伪随机数发生器分析41-43
• 3.3.3 系统架构43-45
• 第四章 组合式随机数发生器的设计及实现45-70
• 4.1 熵源模块的设计45-49
• 4.1.1 熵源模块分析45
• 4.1.2 熵源模块系统设计45-49
• 4.1.2.1 熵源模块采样机制46-47
• 4.1.2.2 熵源模块的架构设计47-49
• 4.1.2.3 熵源模块小结49
• 4.2 算法模块的设计49-60
• 4.2.1 初始种子提取算法设计51-53
• 4.2.1.1 初始种子库52
• 4.2.1.2 种子提取机制52-53
• 4.2.1.3 初始种子算法模块小结53
• 4.2.2 主算法设计53-55
• 4.2.2.1 参数选择53-54
• 4.2.2.2 初始种子分析54
• 4.2.2.3 二进制序列转换54
• 4.2.2.4 主算法描述54-55
• 4.2.2.5 结果分析55
• 4.2.3 从算法设计55-58
• 4.2.3.1 参数选择56
• 4.2.3.2 初始种子分析56
• 4.2.3.3 从算法描述56-58
• 4.2.3.4 结果分析58
• 4.2.4 组合算法设计58-60
• 4.2.4.1 组合算法描述58-59
• 4.2.4.2 结果分析59-60
• 4.2.5 算法模块小结60
• 4.3 数据处理模块设计60-65
• 4.3.1 系统功能及内部结构60-61
• 4.3.2 熵源模块处理方案61-63
• 4.3.2.1 系统架构61-62
• 4.3.2.2 方案原理62-63
• 4.3.3 算法模块处理方案63
• 4.3.4 输出控制模块设计63-65
• 4.3.5 数据处理模块小结65
• 4.4 组合式随机数发生器的实现65-69
• 4.4.1 电源电路65-66
• 4.4.2 RS232总线电路66
• 4.4.3 熵源电路66-67
• 4.4.4 系统架构图67-69
• 4.5 本章小结69-70
• 第五章 组合式随机数发生器系统测试70-77
• 5.1 系统测试概念及标准70-72
• 5.1.1 随机性测试的概念70-71
• 5.1.2 NIST随机数测试标准71-72
• 5.2 随机性测试方案与结果分析72-76
• 5.2.1 总体方案72-73
• 5.2.2 测试流程及实现73-74
• 5.2.3 测试结果及分析74-76
• 5.3 本章小结76-77
• 第六章 总结77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-82
• 攻读硕士学位期间取得的成果82-83

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本文编号：794875