一種新的混沌RNG的實現(xiàn)方案及FPGA實現(xiàn)

　　
僅僅由冗余度來衡量一個RNG是不夠的。為了了解本文提出的混沌RNG輸出序列的隨機性是否實現(xiàn)了“隨機”，我們根據(jù)美國國家標準及技術(shù)研究所(NIST)的要求對本文的混沌RNC方案產(chǎn)生的隨機數(shù)序列的隨機性進行一系列測試。測試所用數(shù)據(jù)為慢速時鐘=8kHz，高速時鐘=100MHz，輸出精度為8bit的輸出值，測試長度為3 000 000個8位隨機數(shù)的序列，表1為測試結(jié)果。

　　
經(jīng)過以上一系列的隨機性測試，RNG表現(xiàn)良好，在置信水平為95％的情況下通過了全部測試，沒有表現(xiàn)出非隨機性，并且在信源相關(guān)度的測試(correlation order test)中性能超過了參考文獻中的混沌RNG方案。這項測試是測試一個隨機數(shù)序列的相鄰隨機數(shù)的相關(guān)度。一個理想RNG的前后隨機數(shù)相關(guān)度應該為0。由表1中數(shù)據(jù)可知，本文的混沌RNG測試結(jié)果更接近于理想RNG。因此可以認為，就目前已知的測試隨機數(shù)的隨機性的測試結(jié)果表明，本文介紹的混沌RNG生成的隨機數(shù)序列是比較好的。
　　
光譜測試可以直觀地顯示出隨機數(shù)序列與其自身的相關(guān)情況。通過圖5可以更直觀地看到一個相關(guān)度低的RNG與一個偽RNG(用10位線性反饋移位寄存器來做例子)的對比。相關(guān)度為0的理想RNG應該均勻分布在整個二維空間內(nèi)，線性反饋移位寄存器的測試結(jié)果(圖b)就反映出了它的高相關(guān)度，而本文提出的混沌RNG方案的測試結(jié)果(圖a)則顯示了其不可預測性與無規(guī)則性分布。

　　
2 硬件實現(xiàn)
　　
本文采用Xilinx公司的xuPV2P30開發(fā)板實現(xiàn)這個混沌KNG，這塊開發(fā)板上自帶兩個獨立的(不同相位)時鐘源，二者都可以輸出8k～100MHz的不同頻率的時鐘。選擇慢速時鐘信號頻率范圍為8k～1MHz，高速時鐘信號頻率為100MHz，輸出精度為8bit。其邏輯使用資源情況如表2所示。

　　
從表2可以看到，在硬件上以極低的邏輯資源使用(18個Slices約合1800+門)實現(xiàn)了本文提出的混沌RNG方案，對比參 考文獻中的方案(3000+門)，該電路得到大大簡化，而參考文獻中的偽高斯噪聲生成器占用了很大的硬件資源。該方案的最高輸出速率受到了板載最高時鐘頻率的限制。如果本文的混沌RNG用IC方案實現(xiàn)，則可以進一步減小所需要的硬件資源并進一步提高輸出速率。
　　
本文提出的方案通過了一系列高要求的隨機性測試，其邏輯資源的占用遠小于傳統(tǒng)的混沌RNG方案，最高輸出速率可達8Mbps。因而這種RNG方案可以用于對安全性和性能需求日益增長的加密系統(tǒng)中。

生成器采樣輸出信號進行模2加操作(異或)，再通過S／H產(chǎn)生最后的輸出x(n)，x(n)被反饋到寄存器中進行下次操作。