基于混沌激光产生物理真随机数的系统设计与优化

摘要

随机数在信息安全和计算领域具有广泛的应用。在信息安全领域，随机数可用于密钥管理、数字签名以及身份认证等众多安全技术中，以确保信息的机密性、真实性和完整性;随机数也可用于解决材料科学、生物物理学和金融业等领域的数值采样计算问题。传统的一些生成随机数的方法中，使用计算机生成的快速随机数序列，因通过确定的算法生成而不具有完全随机性;现有基于热噪声、振荡器采样和混沌电路等物理熵源生成的真随机数，受电子器件带宽的限制无法适应现代高速通信的安全需要。利用在外部扰动下的半导体激光器作为混沌熵源，可以产生速率为Gbit/s量级的高速真随机数，在高速信息安全应用中显示出潜在的优势，获得了相关领域学者和业界人士的高度关注。
　　为了获得高速率和高质量的物理真随机数，本文利用混沌半导体激光器作为真随机数发生器的物理熵源，实验研究了一种速率达到640Gbit/s的物理真随机数发生器，理论研究了光反馈强度对外腔反馈半导体激光器混沌熵源生成的随机数序列性能的影响，具体研究工作如下:
　　(1)研究了一种基于带宽增强混沌激光熵源产生高速真随机数的方案。利用基于单主激光器的双路光注入到副激光器所输出的混沌激光作为真随机数发生器的物理熵源，输出光经过光电转换后分为两路，一路电信号经过8位ADC转换为二进制码序列，另一路延迟后经过8位ADC转换，然后进行位反转处理生成二进制码序列，最终对两路随机码序列进行异或处理，最终获得了速率为640Gbit/s的8位二元码随机序列。经验证该随机数发生器生成的随机序列能够通过NIST SpecialPublication800-22的全部测试项。本文对该系统的熵源特性进行了实验研究，同时对后续处理部分进行了理论研究，研究结果表明:基于双路光注入的混沌熵源所产生的混沌信号的带宽要高于基于单路光注入的混沌熵源所产生的混沌信号的带宽，同时前者能更好的隐藏外腔反馈延时特征，且在正的频率失谐的情况下效果会更好;位反转异或处理能在保持8位二进制码位数不变的情况下，有效提高随机序列分布的均匀性，最终产生高质量高速率的真随机数。
　　(2)外腔反馈半导体激光器在合适的反馈强度下将呈现混沌态，其输出的激光混沌信号可作为物理熵源获取物理随机数序列。本文着重研究了外腔反馈强度对最后获取的二元码序列的随机性的影响。数值仿真结果表明，随着反馈强度的增加，外腔反馈半导体激光器输出的混沌信号的延时时间特征峰值呈现先逐渐减小再逐渐增大的过程，而对应的排列熵特征值呈现先增大、后缓慢降低的过程，即存在一个优化的反馈强度可使输出的混沌信号的延时特征得到有效抑制且复杂度高。利用NIST Special Publication800-22对基于不同反馈强度下外腔半导体激光器输出的混沌信号所产生的二元码序列的随机性进行了相关测试，并讨论了反馈强度的大小对测试结果的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究目的和意义

1．2 随机数及随机数发生器的分类

1．3 随机数的特征及测试标准

1．3．1 衡量随机序列的主要指标

1．3．2 常见随机数测试标准

1．4 国内外研究现状

1．4．1 电子技术实现的真随机数发生器

1．4．2 光电子技术实现的真随机数发生器

1．5 小结

第2章 基于混沌激光产生物理真随机数的设计框架

2．1 混沌理论基础

2．2 混沌激光信号的产生

2．3 混沌序列的提取

2．3．1 采样

2．3．2 XOR异或处理

2．3．3 m-LSBs方法

2．4 小结

第3章 基于带宽增强混沌半导体激光器产生640Gbit／s的随机数

3．1 引言

3．2 实验装置图

3．3 结果与讨论

3．3．1 混沌熵源特性

3．3．2 随机数发生器及随机数的产生

3．4 总结

第4章 反馈强度对外腔反馈半导体激光器混沌熵源生成的随机数序列性能的影响

4．1 引言

4．2 系统结构

4．3 理论模型

4．4 结果与讨论

4．5 结论

第五章 结论

参考文献

致谢

在读期间发表和录用的论文