译电者 第1008章 随机数生成器测试优化

卷首语

1965 年 2 月，“73 式” 密钥动态生成器原型初步成型后，研发团队敏锐意识到：随机数作为动态密钥 “不可预测性” 的核心来源，其性能直接决定密钥安全等级 —— 虽前期基础测试中随机数重复率、游程特性达标，但在野战复杂电磁环境下，仍存在被敌方通过统计分析预测的潜在风险。此时，通过 1000 次规模化测试定位短板、优化算法，成为提升随机数不可预测性的关键举措。这场为期 10 天的测试优化，不仅将随机数的抗预测能力提升 30%，更形成 “测试 - 分析 - 优化 - 验证” 的随机数性能迭代范式，为 “73 式” 动态密钥的实战安全性筑牢最后一道防线。

一、测试优化的背景与核心目标

随机数生成器原型（基于 3AG1 晶体管噪声源）虽通过前期基础测试（10 万组随机数重复率 0.0001%），但陈工团队在电磁干扰模拟测试中发现：当遭遇 500V/m 强电磁信号时，随机数序列中 “0”“1” 分布偏差从 ±0.02% 扩大至 ±0.05%，虽仍符合安全要求，却暴露出复杂环境下随机特性不稳定的隐患，需通过规模化测试进一步优化。

基于动态密钥安全需求，团队明确测试优化三大核心目标：一是通过 1000 次连续生成测试，定位随机数在分布均匀性、游程长度、抗干扰性上的短板；二是优化算法与硬件，使优化后随机数 “0”“1” 分布偏差≤±0.02%（强电磁环境下≤±0.03%），最长游程长度≤14 位，抗预测成功率≤0.0001%；三是确保优化后生成器功耗、体积不变，适配野战设备集成需求（功耗≤2W，电路板尺寸≤10cm×15cm）。

测试优化工作由陈工牵头（随机数生成器研发负责人），组建 4 人专项小组：陈工（整体方案设计，把控优化方向）、马工（测试执行，负责数据采集与分析）、王工（硬件适配，修改噪声采集电路）、李工（算法支持，设计后置处理逻辑），覆盖 “测试 - 分析 - 硬件 - 算法” 全环节，分工明确且互补。

优化周期规划为 10 天（1965.2.5-1965.2.14），分四阶段：第一阶段（2.5-2.6）设计 1000 次测试方案与指标体系；第二阶段（2.7-2.8）开展初始 1000 次测试，定位问题；第三阶段（2.9-2.12）优化硬件与算法；第四阶段（2.13-2.14）优化后二次 1000 次测试，验证效果，衔接生成器整体集成。

启动前，团队梳理核心约束：测试需覆盖常态与强电磁环境（模拟野战场景）；优化不得增加硬件成本（控制在原预算 800 元内，新增元件成本≤20 元）；生成器生成速度需保持≥1 次 /μs（不影响密钥 30 分钟更新周期），这些约束成为测试优化的重要边界，避免技术冒进。

二、1000 次测试方案的设计与指标体系

马工团队基于随机数安全特性，结合实战场景需求，设计《1000 次随机数生成测试方案》，确保测试覆盖 “常态 - 干扰” 双环境，指标量化可验证、可追溯。

测试环境搭建：分为常态环境（温度 25℃±2℃，湿度 50%±5%，电磁干扰≤10V/m）与强电磁环境（温度 25℃±2℃，湿度 50%±5%，施加 500V/m 电磁信号，干扰频率 100kHz-1MHz，覆盖野战通信频段），两种环境下各开展 500 次测试，每次生成 1 组 32 位随机数，共采集 1000 组（ 位）数据，测试设备采用国产 EMI-1965 型电磁干扰仪与 JT-1 型晶体管参数测试仪，确保环境参数可控且精准。

测试指标体系分为三类，均参考当时军用加密设备标准：一是分布均匀性指标，统计 1000 组数据中 “0”“1” 占比，偏差需≤±0.02%（常态）、≤±0.03%（强电磁），通过 “总位数 ÷2 - 实际‘0’位数” 计算偏差值；二是游程特性指标，记录连续 “0” 或 “1” 的长度（游程），最长游程需≤14 位，且各长度游程数量需符合泊松分布（如 1 位游程理论占比约 50%，2 位游程约 25%）；三是抗重复与抗预测指标，统计 1000 组数据中重复组数（重复率≤0.001%），通过 “滑动窗口预测法”（基于前 8 位预测第 9 位）评估抗预测能力（预测准确率≤0.0001%）。

数据采集与分析工具：采用纸质记录仪实时记录每次生成的 32 位随机数（二进制），标注测试序号、环境类型、生成时间；后期通过 “手动统计 机械计算器分析” 计算指标（如 “0”“1” 占比、游程长度），强电磁环境下同步用 SR-8 型示波器观测噪声源输出波形，记录干扰对噪声信号的影响（如波形波动幅度、频率偏移），确保问题可追溯至硬件层面。

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喜欢译电者请大家收藏：()译电者全本小说网更新速度全网最快。2 月 6 日，测试方案通过内部评审，明确测试流程（环境校准→数据采集→指标计算→问题定位）、数据记录规范（每组数据需 2 人核对签名）、异常处理预案（如设备故障时暂停测试，标记断点后续补测），为后续 1000 次测试奠定严谨的执行基础。

三、历史补充与证据：测试方案与指标档案

1965 年 2 月的《“73 式” 随机数生成器 1000 次测试方案与指标体系档案》（档案号：SJ-1965-001），现存于研发团队档案库，包含测试环境参数表、指标定义表、数据记录模板，共 28 页，由马工、陈工共同编制，是测试执行的核心凭证，档案标注 “内部技术文档，保密等级：军用秘密”。

档案中 “测试环境参数表” 详细标注：常态环境 “温度控制精度 ±0.5℃，湿度控制精度 ±2%，电磁干扰测量设备型号 EMI-1965，校准日期 1965.1.20”；强电磁环境 “电磁信号发生器输出功率 10W，场强计型号 CS-1964，测量误差≤2%”，环境参数与野战实际场景高度一致，确保测试有效性。

指标定义表明确计算方法与判定标准：分布均匀性偏差计算公式为 “|（总位数 ×50% - 实际‘0’位数）÷ 总位数 ×100%|”，举例 “ 位数据中‘0’为 位，偏差 =|-|÷×100%=0.025%”；游程特性判定标准标注 “最长游程＞14 位或某长度游程占比偏离理论值 ±5%，即判定不达标”，计算方法与判定标准清晰，避免主观解读。

数据记录模板设计规范，包含 “测试序号（1-1000）、环境类型（常态 / 强电磁，勾选）、随机数（32 位二进制，分 4 段填写，每段 8 位）、噪声源波形备注（如‘强电磁下波形波动幅度 ±0.2V，频率无明显偏移’）、异常标记（如‘第 345 组数据连续 5 个 1，疑似游程异常’）、记录人签名、核对人签名”，模板附 3 张空白样例，标注填写注意事项（如二进制数字需清晰，不得涂改）。

档案末尾 “测试分工表” 显示：马工负责环境校准与数据记录，陈工负责噪声源波形观测与异常初步判断，王工负责设备故障处理（如示波器探头接触不良、电磁干扰仪功率波动），李工负责后期指标计算与分析，分工明确且责任到人，确保 1000 次测试高效、准确推进，档案有团队 4 人签名，日期为 2 月 6 日。

四、初始 1000 次测试与问题定位

2 月 7 日 - 2 月 8 日，团队按方案开展初始 1000 次测试，常态与强电磁环境各 500 次，马工团队全程记录数据，陈工同步观测噪声源状态，共采集 位随机数数据，通过指标计算与波形分析，精准定位出 3 类需优化的问题，为后续优化指明方向。

分布均匀性偏差超标：常态环境下，1000 组数据共 位，“0” 占比 49.97%，偏差 0.03%（超目标 ±0.02%）；强电磁环境下 “0” 占比 49.95%，偏差 0.05%（超目标 ±0.03%）。进一步分析噪声源输出波形发现：3AG1 晶体管在 1.2V-1.3V 电压区间输出 “1” 的概率偏高（60%），低于 1.2V 或高于 1.3V 时输出 “0” 概率偏高，导致整体分布不均衡，这是硬件层面的核心问题。

游程长度异常：常态环境下最长游程达 15 位（超目标 14 位），共出现 2 次（第 123 组、第 456 组）；强电磁环境下最长游程 16 位，出现 1 次（第 789 组）。追溯对应时段示波器波形发现：强电磁干扰导致噪声源短时间内输出稳定信号（波形波动幅度从 ±0.1V 降至 ±0.05V），形成超长游程，暴露抗干扰能力不足的短板。

抗预测能力不足：通过 “滑动窗口预测法” 对 1000 组数据进行测试，常态环境下预测准确率 0.0002%（超目标 0.0001%），强电磁环境下升至 0.0005%。分析随机数序列发现：存在 “每 16 位重复一次小规律”（如第 1-8 位与第 17-24 位的 “0”“1” 分布相似度达 60%），易被预测算法捕捉，需通过算法优化打破潜在规律。

2 月 8 日晚，团队召开问题分析会，形成《初始 1000 次测试问题报告》，详细记录 3 类问题的表现、数据支撑、根源定位（硬件电压区间特性 / 抗干扰不足、算法规律残留），附异常数据片段与波形截图，为后续硬件修改与算法优化提供精准依据，避免盲目调整。

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喜欢译电者请大家收藏：()译电者全本小说网更新速度全网最快。五、算法与硬件的优化方向确定

基于问题定位，陈工团队结合约束条件（成本、功耗、体积），确定 “硬件优化噪声采集 算法增加后置处理” 的双维度优化方向，避免单一优化无法覆盖所有问题，优化方案兼具针对性与可行性。

硬件优化：针对噪声源电压区间不均衡问题，王工团队修改噪声采集电路 —— 在 3AG1 晶体管输出端增加 “电压分压模块”，由 2 个精度 ±1% 的 1kΩ 电阻（北京无线电元件厂生产，型号 RJ-1965）构成，将原 1.0V-1.5V 输出区间细分为 1.0V-1.2V、1.2V-1.3V、1.3V-1.5V 三个子区间，通过调整分压比（R1:R2=1:1），使每个子区间输出 “0”“1” 的概率均接近 50%（实测 1.2V-1.3V 区间 “1” 概率从 60% 降至 50.2%），从硬件根源解决分布偏差问题。

硬件抗干扰增强：为应对强电磁干扰导致的超长游程，在噪声源电路外部增加 “铜网屏蔽罩”（材质 T2 紫铜，厚度 0.1mm，尺寸 5cm×5cm×3cm），罩体接地处理（接地电阻≤1Ω），同时串联 1 个 100nF 陶瓷滤波电容（上海无线电二厂生产，型号 CC1-1965），滤除高频干扰信号。测试显示：强电磁环境下噪声源波形波动幅度从 ±0.2V 降至 ±0.1V，超长游程产生概率大幅降低。

算法后置处理优化：李工设计 “双步扰动” 逻辑，对噪声源输出的 32 位原始数据进行处理，打破潜在规律 —— 第一步 “异或扰动”，将原始数据与预设的 32 位随机种子（存储于磁芯存储器 0x9100-0x9103 地址，每次生成后种子自动更新为 “种子 原始数据”）异或，打乱数据序列；第二步 “旋转移位”，提取原始数据前 4 位转换为十进制数 n（1≤n≤16），将异或后数据循环左移 n 位，进一步破坏潜在规律，两步处理总耗时≤0.002μs，不影响生成速度。

2 月 10 日，优化方案完成设计，形成《随机数生成器优化方案》，包含硬件修改图纸（分压模块电路图、屏蔽罩结构图）、算法流程图（双步扰动步骤）、成本估算（新增元件成本 19.5 元，含电阻 2 个 1 元、屏蔽罩 15 元、电容 2.5 元、比较器 1 元），提交北京电子管厂制作优化后原型，方案满足成本、功耗、体积所有约束条件。

六、历史补充与证据：优化方案与硬件图纸

1965 年 2 月的《“73 式” 随机数生成器优化方案与硬件图纸档案》（档案号：YH-1965-001），现存于军事通信技术档案馆，包含硬件修改图纸、算法流程图、元件清单、成本核算表，共 35 页，由陈工、王工共同绘制，是优化实施的核心凭证，档案标注 “技术设计文档，配套原型生产”。

档案中 “电压分压模块图纸” 为 A4 尺寸，1:2 比例绘制，标注 3AG1 晶体管型号、引脚连接方式（发射极接 R1 一端，R1 另一端接 R2，R2 接地，中间节点接比较器输入端），电阻参数（1kΩ±1%，功率 1/4W），分压后各子区间电压范围（1.0V-1.2V、1.2V-1.3V、1.3V-1.5V），图纸旁附计算公式 “Vout=Vin×R2/(R1 R2)”，确保生产时参数准确。

屏蔽罩结构图标注 “材质 T2 紫铜，厚度 0.1mm，采用冲压工艺成型，罩体顶部留直径 5mm 散热孔（2 个），底部设 4 个 M2 固定螺丝孔，接地端子位于右侧（宽度 5mm，厚度 0.2mm）”，附三维示意图，便于厂家理解结构；滤波电容连接图显示电容并联在噪声源输出端与地之间，标注 “电容容值 100nF，耐压 16V，温度系数 ±10%”，硬件修改细节明确，可直接用于生产。

算法流程图采用标准符号绘制，标注 “原始 32 位数据→异或扰动（与种子异或，种子地址 0x9100）→提取前 4 位→转换为 n（1-16）→循环左移 n 位→输出优化后随机数”，每个步骤标注处理耗时（如异或扰动 0.001μs，旋转移位 0.001μs），流程无死循环，异常处理分支（如 n=0 时默认左移 8 位）完善，确保算法鲁棒性。

档案中 “优化前后噪声源波形对比图” 为示波器实拍照片，标注 “优化前强电磁下波形（2 月 7 日，幅度 ±0.2V，频率 1MHz）”“优化后强电磁下波形（2 月 9 日，幅度 ±0.1V，频率 1MHz）”，直观体现抗干扰能力提升；附 2 月 9 日硬件测试记录：“修改后噪声源在 1.2V-1.3V 区间输出‘0’概率 50.2%，‘1’概率 49.8%，分布均衡性显着改善”，优化效果初步验证，档案有陈工、王工签名，日期为 2 月 10 日。

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喜欢译电者请大家收藏：()译电者全本小说网更新速度全网最快。七、优化后的二次 1000 次测试与效果验证

2 月 13 日 - 2 月 14 日，团队使用北京电子管厂制作的优化后原型，按原方案开展二次 1000 次测试（常态 500 次、强电磁 500 次），马工团队重新采集数据，对比初始测试指标，验证优化效果，所有指标均达标且优于目标。

分布均匀性显着提升：常态环境下，1000 组数据共 位，“0” 占比 49.99%，偏差 0.01%（≤±0.02% 目标），较初始测试降低 33%；强电磁环境下 “0” 占比 49.98%，偏差 0.02%（≤±0.03% 目标），较初始测试降低 60%，电压分压模块有效解决了输出不均衡问题，硬件优化效果显着。

游程长度全部达标：常态与强电磁环境下最长游程均为 14 位，未超目标，且超长游程出现次数从初始的 3 次降至 0 次；各长度游程数量与理论值偏差≤2%（如 1 位游程实际 8012 次，理论 8000 次，偏差 0.15%），完全符合泊松分布，屏蔽罩与滤波电容有效抵御了强电磁干扰，解决游程异常问题。

抗预测能力大幅提升：通过 “滑动窗口预测法” 测试，常态环境下预测准确率 0.00005%（≤0.0001% 目标），较初始测试降低 50%；强电磁环境下预测准确率 0.0002%，较初始测试降低 60%。进一步用 “马尔可夫链预测算法” 验证，未发现可捕捉的序列规律，“双步扰动” 算法成功打破潜在规律，抗预测能力达标。

其他指标保持稳定：优化后生成器生成速度仍为 1 次 /μs（无延迟，满足密钥更新需求），功耗实测 1.9W（≤2W 目标，未增加），电路板尺寸 9.5cm×14.5cm（≤10cm×15cm，适配设备集成），所有约束条件均满足，二次测试形成《优化后 1000 次测试报告》，附完整数据表格与波形对比图，验证优化方案成功。

八、抗预测性强化测试与环境适应性验证

为进一步确保优化效果在实战复杂场景中的可靠性，团队新增 “抗预测性强化测试” 与 “全环境适应性验证”，覆盖初始测试未涉及的极端场景，验证随机数不可预测性的稳定性与普适性。

抗预测性强化测试：李工团队设计 “基于高阶统计分析的预测算法”（模拟敌方可能使用的复杂预测手段），对优化后 1000 组随机数进行深度分析，包括 “相邻位相关性分析”“N-gram 频率统计”“熵值计算”，结果显示：相邻位相关系数≤0.001（接近理想 0），N-gram 频率分布均匀（无明显峰值），信息熵≥7.99 bit（接近 8 bit 理想值），预测准确率 0.00003%，较初始测试的 0.0005% 降低 94%，且无连续 2 次预测成功的情况，证明随机数序列无可捕捉的规律，抗预测能力达到实战安全等级。

全环境适应性验证：在 - 40℃低温、50℃高温、盐雾（模拟沿海边防场景，盐雾浓度 5%，温度 35℃）、震动（10-500Hz，加速度 10g，模拟装甲车辆机动）环境下各开展 200 次随机数生成测试（共 800 次），结果显示：所有环境下 “0”“1” 分布偏差≤±0.02%，最长游程≤14 位，抗预测准确率≤0.00005%，随机特性未因环境变化出现波动；低温下噪声源启动时间仅增加 0.01μs，高温下电容无漏液，盐雾测试后屏蔽罩无腐蚀，震动测试后焊点无脱落，环境适应性优异。

长期稳定性测试：将优化后生成器连续运行 72 小时（生成 组随机数），每小时抽样 100 组计算核心指标，结果显示：各指标均稳定在目标范围内，无漂移（如 “0” 占比始终在 49.98%-50.02% 之间，偏差≤0.02%），生成器长期运行时随机特性保持稳定，无性能衰减，满足设备长时间值守需求。

2 月 14 日晚，团队完成《随机数生成器优化效果综合验证报告》，汇总 1800 组测试数据（1000 次优化后测试 800 次环境验证），附 32 张示波器波形图、24 份数据统计表，确认优化后的随机数生成器完全满足设计目标，不可预测性、环境适应性、长期稳定性均达到军用标准，可集成至密钥动态生成器。

九、优化成果的集成与标准化

2 月 15 日，陈工团队将优化后的随机数生成器原型交付王工团队，与密钥动态生成器其他模块（时间戳单元、密钥运算单元）开展集成测试，重点验证接口兼容性与协同运行效果，确保优化成果无缝融入系统。

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喜欢译电者请大家收藏：()译电者全本小说网更新速度全网最快。集成测试显示：优化后的随机数生成器与时间戳单元、运算单元数据交互顺畅，生成的 32 位随机数可实时传入密钥运算单元，无数据延迟或格式错误（数据传输延迟≤0.01μs）；在强电磁环境下，动态密钥生成器整体加密错误率从优化前的 0.1% 降至 0.07%，随机数优化间接提升了密钥整体安全性，集成效果超出预期。

团队编制《随机数生成器优化成果标准化文档》，包含三部分核心内容：一是优化后硬件参数标准（分压电阻精度 ±1%、屏蔽罩材质与尺寸、滤波电容参数），确保量产时元件一致性；二是算法流程标准（双步扰动步骤、种子更新规则），避免代码固化时出现逻辑偏差；三是测试规范（1000 次测试指标、环境参数、数据记录要求），规定量产前需开展 100 次抽样测试，指标达标方可出厂。

北京电子管厂根据标准化文档，调整生产线工艺：批量生产时统一采购 1kΩ±1% 电阻、0.1mm 铜网屏蔽罩，新增 “随机数指标抽检环节”（每生产 10 台原型机，抽样 1 台开展 100 次测试，验证分布偏差、游程、抗预测指标），同时将优化后的电路设计纳入企业标准《军用随机数生成器生产规范（Q/BGD-1965-003）》，确保量产产品性能与研发原型一致。

2 月 20 日，优化后的随机数生成器完成批量生产准备，首批 20 台原型通过抽检，随机特性指标全部达标（分布偏差 0.01%-0.02%，最长游程 13-14 位，抗预测准确率 0.00003%-0.00005%），标志优化成果正式落地，可支撑 “73 式” 密钥动态生成器的规模化研发与后续原型机组装。

十、测试优化的历史意义与后续影响

从 “73 式” 研发看，随机数生成器的测试优化是动态密钥安全的 “点睛之笔”—— 优化后随机数的不可预测性提升 30%，使动态密钥抗破解成功率从 0.0003% 降至 0.00005%，1968 年设备交付后，在边防复杂电磁环境中未发生一起因随机数预测导致的密钥安全事件，为实战通信安全提供关键保障，避免了因随机数短板导致的整体加密体系风险。

从技术方法看，此次 1000 次测试优化形成 “规模化测试 - 精准定位 - 软硬协同优化 - 全场景验证” 的随机数性能迭代范式 —— 后续我**用随机数生成器研发（如 “84 式” 加密设备的量子随机数发生器、“92 式” 的混沌随机数发生器）均借鉴该范式，通过 1000 次以上规模化测试定位短板，避免 “小样本测试遗漏问题” 的风险，成为军用随机数研发的标准流程。

从硬件技术看，优化中采用的 “电压分压细分”“电磁屏蔽”“滤波抗干扰” 技术，推动了国产噪声源器件与抗干扰元件的升级 —— 北京电子管厂基于该技术，后续研发出 “低噪声 3AG2 晶体管”（噪声系数从 3dB 降至 1.5dB，适合更复杂电磁环境），上海无线电二厂将屏蔽技术应用于其他军用电子元件（如时钟模块、运算放大器），提升了国产元器件的抗干扰能力与稳定性，间接促进我国半导体产业的技术进步。

从算法传承看，“双步扰动” 后置处理逻辑成为军用随机数算法的标准模块 ——1970 年代《军用随机数生成算法规范（GJB-1970-018）》中，明确要求随机数生成需包含 “异或扰动 移位处理” 步骤，该逻辑后续被应用于卫星通信加密、雷达数据加密、单兵通信设备等领域的随机数生成器，技术影响力持续延伸至 21 世纪初，成为我**用随机数算法的核心组成部分。

从产业协同看，测试优化过程中 “研发团队 - 生产厂家” 的紧密协作（如北京电子管厂同步调整生产线工艺、参与标准化文档编制），强化了 “需求 - 研发 - 生产” 的闭环 —— 这种协同模式后续成为我**用电子设备研发的常规模式，确保技术优化成果能快速转化为量产产品，支撑国防装备的规模化列装，为我国通信安全装备的自主化、国产化发展提供了高效的产业协同保障。

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