密码技术是网络信息安全的核心。为了保证网络信息安全,密码算法和密码协议被大量应用。随机数是这些密码算法及密码协议不可缺少的重要部分,随机数性能的优劣直接影响着密码系统的性能。产生随机数的装置被统称为随机数发生器。随机数发生器包括伪随机数发生器和物理随机数发生器两大类。伪随机数发生器基于种子和确定的算法快速方便的产生高速的随机数,速率可高达数十Gbit/s。利用伪随机数发生器可以快速、简单且方便地产生密钥,且伪随机密钥分发简单。因此,伪随机数发生器在现在的加密系统中应用非常广泛。然而伪随机数发生器具有以下致命缺陷:（1）一旦种子和算法被攻击者破解,则攻击者将可以预测、甚至复制密钥,加密系统的安全性将完全丢失。（2）由于种子的长度有限,且算法是确定的,伪随机数发生器产生的密钥将具有周期性。随着计算机性能的快速提升,使用伪随机数加密为信息安全留下了隐患。为了提高基于伪随机数加密的安全性,一些研究致力于发展更复杂的伪随机数算法来增强密钥破解的难度,但这种方法不能改变伪随机数的确定性本质。计算机技术的发展使基于确定算法的伪随机数发生器在很多场合已不适用,取而代之的是利用不可预测和不可重复的物理现象产生随机数的物理随机数发生器。物理随机数发生器从物理随机过程中提取不可预测的随机数,原则上来说可以保证信息的绝对安全。电路的电子噪声具有天然的不可预测性,是理想的物理随机数发生器熵源。传统的电路物理随机数发生器利用放大器对电路噪声直接放大,或用振荡环放大电路中噪声引起的抖动等方法产生随机数。但这些物理随机数发生器的速率一般不高,很难适用于高速保密通信的需求。香农（Shannon）的“一次一密”加密原理可以保证信息的绝对安全,但需要实时产生大量的物理随机数做加密密钥。上述物理随机数发生器的速率通常为数十兆比特每秒,无法满足海量信息的安全加密需求。因此,高速物理随机数发生器的研究成为解决安全通信的关键问题之一。混沌的高带宽、大幅度起伏特性使其在高速物理随机数产生方面具有极大的潜力。近年来,利用布尔混沌产生高速物理随机数的研究得到普遍关注,究其原因,一是由于产生布尔混沌的自治布尔网络电路具备结构简单,可移植性强、易于芯片集成等优点,可方便的嵌入信息安全装置中,二是由于该方法能在实践中获得百兆比特每秒量级的高速物理随机数,可满足海量信息的安全加密需求;但是,目前有关布尔混沌及自治布尔网络的研究还存在一些不足,尚需完成以下工作:1)自治布尔网络的动力学模型需要进一步改进和完善,使其仿真计算结果与实验观测数据更吻合;2)利用布尔混沌产生物理随机数的安全性（即随机数的不可预测性）需要进一步的理论及实验证明。为了更好的揭示自治布尔网络产生布尔混沌的机理和不可预测物理随机数的过程,本论文主要开展了以下研究:（1）建立了异或（XOR）逻辑门的等效电路模型。进一步建立了基于分段线性延时微分方程的自治布尔网络模型,研究了模型参数的影响因素。测量了异或逻辑门的传输延时,进而确定了自治布尔网络的滤波系数。结果表明基于分段线性延时微分方程的自治布尔网络模型可以克服布尔延迟方程模型出现的频率无限增长问题,模型更接近实际运行情况。（2）从理论方面和实验方面分别分析了节点间延时参数、滤波系数和耦合关系对自治布尔网络动力学特性的影响。实验和理论结果均表明通过调节自治布尔网络节点间延时参数、滤波系数和耦合关系均可以使自治布尔网络实现稳定状态和混沌状态的转变。延时参数标准差越大,滤波系数越小,自治布尔网络越容易进入混沌状态。（3）研究了布尔混沌的不可预测性。研究了自治布尔网络电路系统中的相位噪声和传播延时抖动的关系,测量了自治布尔网络中的抖动强度。通过数值模拟证明了布尔混沌对相位噪声的放大作用,并借助Shannon熵评估证明了布尔混沌输出的不可预测性。进一步实验研究了布尔混沌的不可预测性,证明了仿真结果的正确性,为自治布尔网络产生不可预测的随机数提供了基础。（4）优化了面向物理随机数发生器的自治布尔网络拓扑结构。首先,理论分析选取了自治布尔网络产生混沌的结构,然后理论分析证明了XOR对熵值的改善作用。理论分析和FPGA实验结果均表明18节点的自治布尔网络拓扑结构是满足性能要求的最优结构,同时给出了此18节点的自治布尔网络输出信号的相邻上升沿的时间间隔分布。FPGA实验结果表明18节点的自治布尔网络信号-10 dB带宽可达760 MHz,且输出信号相邻上升沿的时间间隔近似呈泊松分布。较宽的信号带宽和信号相邻上升沿的时间间隔呈泊松分布的特性表明此布尔网络有望产生高速的物理随机数。（5）确定了自治布尔网络物理随机数发生器结构,并借助随机数码形图、眼图和点阵图等工具初步判断了自治布尔网络物理随机数发生器可以生成速率达100 Mbit/s的随机数,且产生的随机数具有良好的统计特性。进一步通过详细的国际行业测试标准对生成的随机数进行了随机性统计测试。重点借助ENT、NIST和Diehard三种国际行业测试标准评估了所产生随机数的性能,测试结果显示产生的随机数均能成功通过ENT、NIST和Diehard统计测试,表明产生的随机数性能良好。