轻量级哈希函数可重构架构设计与实现

作     者：石峰硕 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王东兴

授予年度：2022年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：轻量级哈希函数 可重构计算 可重构运算阵列 算法映射 

摘      要：随着物联网技术及其相关应用的飞速发展,射频识别标签、低端智能卡、无线传感网络以及大量的小型设备逐渐融入到人们的社会生活中。在物联网技术与人们的日常生活关系日益紧密的同时,信息传输的安全性引起人们的高度重视。哈希函数是常用的信息加密技术之一,由于物联网技术的相关设备在计算能力,内存大小和功率等方面具有若干限制,这些限制给常用的哈希函数带来了挑战,因此轻量级哈希函数应时而生。利用可重构技术设计可重构密码处理器是近几年研究热点,其在保证信息加密安全性的基础上,不仅能满足密码算法性能需求,而且具有较高的灵活性。因此设计面向轻量级哈希函数可重构密码处理器具有十分重要的意义。具体工作内容如下:首先,本文统计了现有的轻量级哈希函数并基于不同的设计原理对其进行分类,详细说明不同种类的轻量级哈希函数的优缺点,深入分析了轻量级哈希函数的迭代结构和内部处理结构的特点,发现不同算法之间使用的基本运算单元具有相似性。其次,本文从可重构计算思想角度出发,对轻量级哈希函数中基本运算单元的类型进行统计并分析其次序特征,为设计可重构处理单元和可重构运算单元的布局打下理论基础。之后,分析基本运算单元的可重构性并根据算法特征将基本运算单元设计为可重构运算单元,并且结合可重构计算结构的设计特点和方法,设计了面向轻量级哈希函数可重构架构,详细介绍可重构架构中的配置控制器、计算阵列的配置流程和计算过程、可重构运算阵列框架中可重构处理单元内部结构和互联网络的选取。最后,本文详细说明轻量级哈希函数在可重构架构上的算法映射过程,并且基于Verilog HDL硬件描述语言对轻量级哈希函数可重构架构进行设计并进行逻辑综合。在TSMC 55nm工艺下,该架构的时钟频率可达到467MHz,面积为2.55mm2。本文架构等效门数量为1.33MGE,面积效率为39.58Gbps/MGE,可重构运算单元平均利用率达到39.9%,与COBRA架构、Cryptoraptor架构和Pro DFA架构相比,等效门数量减少1.44倍～5.03倍,面积效率提高1.52倍～9.72倍,可重构运算单元平均利用率提高10.2%～15.7%。结果说明本文研究的轻量级哈希函数可重构架构在保证较高的灵活性和处理性能的同时能够满足在资源受限环境下实现安全高效的轻量级哈希函数的需求。