兰州大学信息学院团队成功研制出高吞吐量伪随机数发生器

工程技术中的随机序列一般由伪随机数发生器生成，广泛应用于信息安全、信号处理、系统仿真和量子模拟等领域。伪随机数发生器的研制是一项关系国防安全、仪器设备制造、隐私保护、加密通信等诸多应用领域的基础技术。随着网络带宽的迅速提升，高品质、高吞吐量的伪随机数发生器对增强网络安全和通信设备研制至关重要。目前，国际高水平伪随机脉冲序列生成器是美国安捷伦公司生产的Keysight 81134A，吞吐量3.35 Gb/s，售价高达14万元/台。公开报道中尚未发现吞吐量能突破10Gbps相关产品和研究项目。

近日，兰州大学信息科学与工程学院电子信息科学与技术专业2019级本科生刘胤哲在李守亮、杨臻和任丰原老师联合指导下在这一方向取得了突破，基于离散超混沌设计并实现出了吞吐量高达10.4Gbps的伪随机数生成器。针对已有多数混沌系统参数区间窄、存在周期窗口等不足，研究提出了交叉反馈非线性耦合超混沌系统，其运动轨迹可在较宽参数范围内散布整个相空间，较已有典型混沌系统具有更加复杂多样的动力学行为。基于离散超混沌的伪随机数发生器能以较低计算复杂度生成随机品质良好的随机序列。相关技术产业化后有望在伪随机数发生器研制领域取得世界领先地位。

研究采用FPGA实现了基于离散超混沌的伪随机数生成器，进行了基本功能验证和性能评价。生成的随机序列通过了NIST、TestU01和Diehard等国际权威机构发布的随机数测试软件的评测，有能力为超高速网络中“一次一密”的安全通信提供密钥生成的基础服务。同时，相比于传统的伪随机数发生器产品，基于离散超混沌系统研制的产品具有成本低、功耗小、易于小型化和IP核化等优点，有条件植入到路由器、交换机和数据中心智能网卡等网络设备中，也可以应用到移动设备和嵌入式设备中，从而增强工业互联网络等基础设施的安全。

相关研究论文以“Design of a High Throughput Pseudorandom Number Generator based on Discrete Hyper-Chaotic System”为题，已被电路与系统领域期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems--II: Express Briefs (TCSII)录用在线发表（DOI: 10.1109/TCSII.2022.3178103）。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9782728