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组合式伪随机数发生器的研究与设计

作　者: 周文彬
导　师: 姚爱红
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 伪随机数发生器超素数发生器奇偶性性能评估
分类号: TP346
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

伪随机数发生器在计算机仿真和信息安全领域都有着广泛的用途，伪随机数序列的随机性、不可预测性以及产生速率对应用系统的效率和安全性具有重要价值。本文设计了一种基于超素数的组合式伪随机数序列生成算法，并利用FPGA进行了硬件实现和性能测试。论文对伪随机序列的产生原理、现有方法以及相关统计检验方法和标准进行了深入研究和讨论分析。所提出的组合式算法首先通过时钟计数器得到随机的初始种子和参数，之后利用超素数发生器的特殊性质，得到出现概率相同的“0”、“1”序列，再利用扰乱函数对“0”、“1”序列进行扰乱重新排序，最后使用SHA₁安全散列算法完成对数列的进一步发散，来增强序列的随机性。本算法引入了不确定性和高速变换性因素，利用数据的奇偶性得到不规律的“0”、“1”序列，降低了生成数据之间的相关性，通过适时地改变发生器的相关参数，提高了伪随机序列的周期。为了对所提出的伪随机数发生器的速度和统计特性进行评估，利用Verilog HDL在FPGA上完成了算法的硬件实现，生成序列通过了FIPS140-2和NIST SP800-22两个国际标准检测集的所有项目检验。实验结果表明所设计的伪随机数发生器占用资源较少，产生的序列具有良好的随机性,具有一定的实际应用价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
第1章绪论  9-13
  1.1 研究的背景意义  9
  1.2 随机数发生器的研究现状  9-10
  1.3 随机数应用  10-12
  1.4 论文的内容与组织结构  12-13
第2章伪随机数生成技术概述  13-21
  2.1 伪随机数的有关理论  13-14
    2.1.1 伪随机序列的性能  13
    2.1.2 衡量伪随机数质量的性能指标  13-14
  2.2 伪随机序列产生的主要方法  14-20
    2.2.1 线性同余法  14-15
    2.2.2 反馈移位寄存器法  15-16
    2.2.3 超素数法  16-17
    2.2.4 组合法  17-18
    2.2.5 Linux 的伪随机数发生器  18
    2.2.6 振荡器采样法  18-20
  2.3 本章小结  20-21
第3章组合式伪随机数发生器的算法设计与验证  21-39
  3.1 组合式伪随机数生成算法概述  21-22
  3.2 随机数据源设计  22-23
  3.3 01 序列的生成  23-25
    3.3.1 发生器的选择  23-24
    3.3.2 参数的选定  24
    3.3.3 初始种子  24
    3.3.4 奇偶判断  24-25
    3.3.5 01 序列生成算法描述  25
  3.4 扰乱排序  25-27
    3.4.1 发生器的选择  25
    3.4.2 变参量的选择  25-26
    3.4.3 扰乱排序算法描述  26-27
  3.5 SHA_1 发散  27-29
    3.5.1 SHA_1 介绍  27
    3.5.2 SHA_1 算法概述  27-29
  3.6 伪随机序列的统计检验  29-36
    3.6.1 统计检验概述  29
    3.6.2 检验方法分类  29-30
    3.6.3 检验步骤  30
    3.6.4 伪随机序列的检验标准  30-36
  3.7 组合式伪随机数生成算法可行性检验  36-37
  3.8 本章小结  37-39
第4章组合式伪随机数发生器的硬件实现及仿真  39-49
  4.1 组合式伪随机数发生器的硬件实现  39-43
    4.1.1 随机数据源模块  39-40
    4.1.2 01 序列生成模块  40-41
    4.1.3 扰乱排序模块  41-42
    4.1.4 SHA_1 发散模块  42-43
  4.2 组合式为随机序列发生器功能仿真  43-46
  4.3 组合式伪随机数发生器资源开销及性能评估  46-47
  4.4 本章小结  47-49
结论  49-50
参考文献  50-54
致谢  54

组合式伪随机数发生器的研究与设计

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