检索结果-内蒙古大学图书馆

特殊保密通信领域采用频繁更换密码算法以提升安全性的技术途径,对密码处理器提出了动态重构的需求,粗粒度可重构处理器相比与专用集成电路和定制指令集处理器,具有性能和灵活性方面的潜在优势,已成为学术界和产业界的关注重点之一。本文针对可重构密码处理器的面积效率（单位面积的性能）和能量效率（单位能量的性能）两个关键指标,重点研究其计算阵列的架构、电路及配置调度策略。首先,本文分析了分组密码算法、杂凑密码算法和序列密码算法等密码算法的工作机制,从密钥长度、计算位宽和运算类型三个方面总结了算法的计算特征,并从算法迭代运算间的数据依赖关系、执行流水特性方面分析了算法的控制流特征,为可重构密码处理器计算阵列和配置控制器的设计提供了理论指导。其次,针对计算阵列中通用S盒（S-box,Substitution Box）资源消耗过大导致面积效率低下的问题,本文提出了基于多端口静态随机存储器（SRAM）的查找表型通用S盒结构和电路。包括:1)研究并提出了多端口SRAM查找表结构,通过配置重构成具有特定特征参数的查找表,满足多种密码算法S盒输入输出位宽、查找表数量和访问并发度的不同需求;2)定制并实现了多端口SRAM存储器,该存储器支持1个写入端口和4个读出端口,适合S盒读并发数大、更新内容数据频率较低的操作特点,使得单位面积的存储器能够提供更大的读数据吞吐率,从而满足密码算法中S盒操作对查找表存储体高并发访问的需求。该方法相比其它查找表型设计,单位面积的数据吞吐率最高可提升51.76%。再次,针对计算流水频繁被配置操作打断导致面积效率和能量效率低下的问题,本文提出了以算子为最小粒度的配置信息组织方法及基于配置信息上下文的配置调度机制。包含:1)研究并提出了一种基于阵列算子为最小粒度的配置信息缓存结构,以计算阵列中算子为最小粒度,进行多级层次化组织和存储,在保证配置信息传输效率的前提下,降低了配置存储容量82.25%以上;2)研究并提出了基于配置信息时间和空间上下文的调度机制,该机制综合考虑了配置信息的时间和空间特征,在增加少量硬件开销的条件下,将算法的配置时间占计算时间的比例下降到4.35%8.78%。最后,将本文研究的S盒及配置信息相关技术应用到了一款基于SMIC 40nm工艺的可重构密码处理器芯片中。芯片实测结果表明:基于上述技术的可重构密码处理器具有较高的面积和能量效率。（1）多端口SRAM查找表结构,使得可重构密码处理器的面积降低了11.81%,（2）基于配置信息时间和空间上下文的调度机制,使得可重构密码处理器的配置时间缩短,性能得到提升。与其它方案的可重构密码处理器相比较,采用本文关键技术的可重构密码处理器在支持更多密码算法的同时,分组密码算法（以AES为例）的面积效率提高了2.09倍4.63倍,能量效率提高了1.07倍4.53倍;杂凑密码算法（以SHA256为例）的面积效率提高了2.91倍;序列密码算法（以ZUC为例）的面积效率提升了2.80倍。

关键词：粗粒度可重构密码算法可重构S盒可重构配置系统可重构密码处理器

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流密码算法可重构架构设计与实现

流密码算法可重构架构设计与实现

引用

作者：刘玲哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

数据规模近年来增长迅猛,信息安全的地位日渐凸显,流密码作为一种保密性良好、加解密速度快、常用于国防军事等安全性需求较高的领域的加密体制,发挥着重要作用。为了做好信息安全基础设施服务的保障,流密码算法的实现载体要在灵活性、... 详细信息

数据规模近年来增长迅猛,信息安全的地位日渐凸显,流密码作为一种保密性良好、加解密速度快、常用于国防军事等安全性需求较高的领域的加密体制,发挥着重要作用。为了做好信息安全基础设施服务的保障,流密码算法的实现载体要在灵活性、性能和安全性等指标之间进行权衡,可重构密码处理器可以在保证一定处理速度的前提下同时满足一个信息安全解决方案对多种密码算法的需求,而且安全性也是有保障的。本文面向流密码算法设计了一种可重构架构。主要从以下方面进行了研究:(1)回顾了流密码的发展历程,对流密码算法的设计结构进行了分析,归纳了流密码算法设计中的构建块,并以此作为依据对流密码算法进行了设计结构上的分类;根据分类选取了目标流密码算法,并研究了目标流密码算法的结构特征和数据流特征;从可重构计算思想角度出发,对目标流密码算法的结构和操作进行了分解,提取了目标流密码算法的共性逻辑。(2)对可重构密码处理器的关键技术,即存储单元、重构粒度、运算功能、互连结构、配置信息进行了研究,并以此作为切入点,完成了面向流密码算法的可重构架构的设计,主要针对可重构反馈移位寄存器阵列、抽头抽取结构、可重构运算单元阵列、反馈数据选择模块、配置信息进行了研究与设计。(3)对所设计的可重构架构进行了实现,选取结构存在差异且实际应用价值较高的ZUC、Grain v1、Cha Cha20算法,设计了三个算法在可重构架构上的映射方案,并完成RTL代码编写,利用Model Sim仿真验证无误后,通过逻辑综合的结果完成了对三个典型流密码算法在此架构上实现的性能指标的评估。在TSMC 55nm工艺下,本文所设计的可重构架构的时钟频率可达到1000MHz,面积为979k GE,相比于目前其它支持流密码算法的可重构密码处理器,操作粒度较大的流密码算法在本文所设计的可重构架构上的实现性能和面积效率均有显著提高,如ZUC算法吞吐率提高了2.5～10倍。虽然操作粒度较小的流密码算法的实现性能相对较低,但是这三种结构存在差异的流密码算法在该可重构架构上均可得到支持,也表明了该架构的灵活性比较高。

关键词：流密码流密码实现可重构计算可重构密码处理器

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