物理随机数发生器广泛应用于科学计算、模拟仿真、信息安全、身份认证等领域。由于输出的不确定性和非周期性,物理随机数发生器在保密通信领域中的作用尤为突出,通常被用于机密密钥产生、向量初始化和随机填充值等诸多方面。随着计算机技术以及通信技术的发展,通信数据的吞吐量已经达到Gbps甚至Tbps的水平。基于信息论鼻祖香农提出的“一次一密”理论,为保证如此高吞吐量数据的通信安全,需要实时生成速率不低于通信速率的高质量物理随机数来对传输的数据进行加密和解密。目前,生成实时物理随机数的方法有很多种,如利用电阻热噪声、相位抖动、光子集成和混沌激光的方法来产生物理随机数。基于上述方法实现的物理随机数发生器一些受限于较低熵源带宽无法实现高速,一些则受限于庞大的体积而难以适应当今社会器件小型化、芯片化的发展趋势。此外,还有一些物理随机数发生器由于不能实时监测熵源遭受的诸如温度、电压、电磁等的攻击或可能出现的故障,而输出性能较差的物理随机数。物理随机数发生器在投入使用前,需要对其输出的随机序列进行大量的离线统计测试。随着随机数输出速率的不断提高,针对随机数采集存储系统的设计也逐渐成为物理随机数发生器研发和设计中必不可少的一部分。本文在FPGA中设计了一款带在线监测模块的10Gbps物理随机数发生器,单路可稳定输出10Gbps的随机序列,随机性测试结果表明该物理随机数输出的随机序列具有良好的统计特性。此外,本文实现基于PCIE 2.0传输接口和RAID技术的随机数采集存储系统,能够连续、实时采集存储10Gbps物理随机数发生器的输出序列,极大缩短了高速物理随机数发生器数据采集所耗费的时间。本文围绕10Gbps物理随机数发生器及其采集存储系统,主要研究内容和工作如下:1.分析66节点自治布尔网络的输出特性,设计一种延迟异或后处理电路去除66节点自治布尔网络单个节点输出信号的偏置和相邻两个节点输出信号间的相关性,最终通过GTX收发器实现具有良好输出特性和统计特性的单路速率可达10Gbps的物理随机数发生器。2.对本文所实现的10Gbps物理随机数发生器设计针对熵源的健康测试电路和针对输出序列的在线统计测试模块,使能够对熵源故障和物理随机数发生器低质量的输出进行报警。3.为方便对10Gbps物理随机数发生器的进一步离线分析验证,设计基于PCIE 2.0高速传输接口和RAID技术的随机数采集存储系统,能够实时、连续采集存储高速物理随机数发生器所产生的速率为10Gbps的随机序列。