基于EPIC技術的可編程密碼處理器設計

目前，在多數(shù)保密通信沒備中，主要采用通用CPU和專用硬件電路控制密碼專用芯片來實現(xiàn)兩種方式的密碼運算。采用前者控制密碼專用芯片時，需要選用一種具有靈活性高、維護容易、升級方便等特點的性能優(yōu)良的通用微處理器GPP(General Purpose Processor)，但由于通用微處理器指令的局限性，使密碼專用芯片達不到其最佳性能，嚴重影晌了保密通信的速度;采用專用硬件電路直接控制密碼專用芯片，雖然可使密碼專用芯片的性能達到最高，但由于其功能只依賴于密碼專用芯片及其外圍器件，使得靈活性差、開發(fā)周期比較長。

　　由此可見，無論采用上面哪種方式，由于密碼專用芯片的運算處理與控制分離，限制了密碼數(shù)據(jù)處理性能，制約了系統(tǒng)整體速度。針對上述問題，通過分析多種密碼算法，本文提出一種基于處理器設計思想的顯式并行指令計算結構(EPIC的可編程密碼處理器架構，實現(xiàn)了速度與靈活性的折衷。

　　1 密碼算法分析

　　1.1 典型的密碼算法及其應用

　　現(xiàn)針對七種分組密碼算法和兩種雜湊函數(shù)即DES、IDEA、Rijndael、RC6、Serpent、Twofish、Mars、MD5和SHA進行分析。

　　分組密碼算法是一個將比特明文映射成n比特密文的雙射函數(shù)，n為其分組長度，它的加密與解密過程具有相同的密鑰，因此又稱為對稱密碼算法。而雜湊函數(shù)是一種將任意長度的消息壓縮為某一固定長度的消息摘要的函數(shù)，它主要用十數(shù)字簽名、消息的完整性檢測和消息的起源認證檢測等方面。

　　DES算法(數(shù)據(jù)加密標準)是第一代公開的完全說明實現(xiàn)細節(jié)的被世界公認的分組密碼算法。其最初設計者是IBM公司，并取得了它的專利權。在隨后的二十多年中，DES算法作為一種典型的分組密碼算法，被廣泛地應用于保護商業(yè)數(shù)據(jù)的安全(如銀行系統(tǒng)等)。

　　IDEA算法(國際數(shù)據(jù)加密算法)公布于1992年，足IPES標準，因廣泛應用于email加密認證軟件(PGP)中而聞名。

　　Riindael是1998年公布的，并于2000年在由NIST(美國國家標準技術研究所)主持的AES評選中獲勝，此后Rijndael算法也稱為AES算法，成為逐漸代替DES的新的加密標準。

　　RC6、Serpent、Twofish和Mars算法是與Rijndael算法一起參評的AES候選算法，它們都不同程度地體現(xiàn)了分組密碼算法的設計原則，對應用密碼學的發(fā)展產(chǎn)生了相當大的影響。

　　MD5消息摘要函數(shù)是由RSA算法的設計者之一Rivest提出的一種單向散列函數(shù)，它不基于任何假設和密碼體制，采用了直接構造的方法，處理速度非?？?。

　　SHA是1993年公布的聯(lián)邦信息處理標準(FIPS-180)的安全散列標準，由NIST提出并于1995年推出了其修訂版，通稱為SHA-1。

　　1.2 密碼算法中的基本操作

　　在分析上述算法的基礎上，提取出各個算法的核心操作類型，并總結出它們的基本操作分別為以下六類：S盒操作、比特置換操作、算術運算、邏輯運算、移位操作和有限域乘法運算。其中算術運算包括模加/減和模乘運算，邏輯運算則由‘與 i、‘或 i、‘非 i和‘異或 i組成，表1詳細列出了它們在各種算法中的具體應用，如DES算法中主要使用了S盒操作、比特置換、異或和移位操作。

　　2 可編程密碼處理器體系結構設計

　　在典型的可編程密碼處理器結構(AFPC)中，EPIC結構開發(fā)的是標量操作之間的隨機并發(fā)性，并且增加了功能部件的個數(shù)。不相關的指令由編譯顯式地編入到一個超長的機器指令字中，并發(fā)射到流水線，在各個功能部件中并發(fā)執(zhí)行，指令級并行度為4～8。這種結構的硬件控制相對簡單，在計算密集型應用時內(nèi)在并行性很明顯。且不需要很多轉(zhuǎn)移預測。在這種結構上運行指令能夠達到較高的實際指令級并行度。正是由于以上特點，EPIC結構在很大程度上符合了密碼算法的需求，即計算密集且順序執(zhí)行。

　　可編程密碼處理器體系結構的硬什結構如圖1所示，整個處理器包括三部分：數(shù)據(jù)通路、控制單元和輸入/輸出接口電路。