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基于顯式并行指令計算結(jié)構(gòu)的密碼算法設(shè)計

作者: 時間:2012-05-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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專用芯片來實現(xiàn)兩種方式的運(yùn)算。采用前者控制專用芯片時,需要選用一種具有靈活性高、維護(hù)容易、升級方便等特點(diǎn)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的局限性,使密碼專用芯片達(dá)不到其最佳性能,嚴(yán)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(dá)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(yùn)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,本文提出一種處理器思想的顯式(EPIC的可編程密碼處理器架構(gòu),實現(xiàn)了速度與靈活性的折衷。

1 密碼分析

1.1 典型的密碼及其應(yīng)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(jìn)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?dāng)?shù)字簽名、消息的完整性檢測和消息的起源認(rèn)證檢測等方面。

DES算法(數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn))是第一代公開的完全說明實現(xiàn)細(xì)節(jié)的被世界公認(rèn)的分組密碼算法。其最初者是IBM公司,并取得了它的專利權(quán)。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(yīng)用于保護(hù)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(biāo)準(zhǔn),因廣泛應(yīng)用于email加密認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)。

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)了分組密碼算法的原則,對應(yīng)用密碼學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。

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

SHA是1993年公布的聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)(FIPS-180)的安全散列標(biāo)準(zhǔn),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(chǔ)上,提取出各個算法的核心操作類型,并總結(jié)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(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位操作和有限域乘法運(yùn)算。其中算術(shù)運(yùn)算包括模加/減和模乘運(yùn)算,邏輯運(yùn)算則由‘與 i、‘或 i、‘非 i和‘異或 i組成,表1詳細(xì)列出了它們在各種算法中的具體應(yīng)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。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/154982.htm

2 可編程密碼處理器體系設(shè)計

在典型的可編程密碼處理器(AFPC)中,EPIC結(jié)構(gòu)開發(fā)的是標(biāo)量操作之間的隨機(jī)并發(fā)性,并且增加了功能部件的個數(shù)。不相關(guān)的由編譯顯式地編入到一個超長的機(jī)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,指令級度為4~8。這種結(jié)構(gòu)的硬件控制相對簡單,在密集型應(yīng)用時內(nèi)在性很明顯。且不需要很多轉(zhuǎn)移預(yù)測。在這種結(jié)構(gòu)上運(yùn)行指令能夠達(dá)到較高的實際指令級并行度。正是由于以上特點(diǎn),EPIC結(jié)構(gòu)在很大程度上符合了密碼算法的需求,即密集且順序執(zhí)行。

可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)的硬什結(jié)構(gòu)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。

數(shù)據(jù)通路是處理器的關(guān)鍵部件之一,包含F(xiàn)UO~FU5共6個可并行執(zhí)行的功能單元、32個32bit通用寄存器、4×32個32bit密鑰寄存器和回寫單元。

功能單元是處理器執(zhí)行指令運(yùn)算的核心,由若干個密碼運(yùn)算模塊組成。其中,F(xiàn)UO~FU3內(nèi)部運(yùn)算模塊的組成與結(jié)構(gòu)完全相同,輸入為3個32bit運(yùn)算數(shù)據(jù),其中2個來自通用寄存器堆、1個來自密鑰寄存器堆,輸出的運(yùn)算結(jié)果亦為32bit。FUO~FU3內(nèi)部分別設(shè)置了7個運(yùn)算模塊,分別為S盒運(yùn)算模塊、模加,減運(yùn)算模塊、模乘運(yùn)算模塊、32bit移位運(yùn)算模塊、有限域乘法運(yùn)算模塊、二輸入邏輯運(yùn)算模塊、三輸入邏輯運(yùn)算模塊。FU4內(nèi)部設(shè)置了1個128bit,置換運(yùn)算模塊,輸入為12個32bit運(yùn)算數(shù)據(jù),其中8個來自通用寄存器堆,4個來自密鑰寄存器堆。FU5內(nèi)部設(shè)置了1個128bit移位運(yùn)算模塊,輸入也為12個32bit運(yùn)算數(shù)據(jù),其中8個來自通用寄存器堆,4個來自密鑰寄存器堆。

上述這些運(yùn)算模塊功能不是單一的,而是可重構(gòu)的。表2中給出了4個可重構(gòu)運(yùn)算模塊所支持的模式。

除了上述運(yùn)算模式可重構(gòu)外,各運(yùn)算模塊根據(jù)具體情況還支持運(yùn)算前增加‘異或 i操作、運(yùn)算后增加‘異或 i操作或者運(yùn)算前后都增加‘異或 i操作。由于‘異或 i操作延時很小,它的加入并不影響運(yùn)算的關(guān)鍵路徑,這就使得密碼運(yùn)算時減少了單一‘異或 i操作的時鐘,從而減少了整個運(yùn)算的時鐘數(shù),并且不影響整體性能。表3中給出了Rijndael算法輪運(yùn)算流程,采用有限域乘法運(yùn)算后加入‘異或 i操作,時鐘周期數(shù)由4減為3,10輪運(yùn)算將減少10個時鐘周期。

控制單元完成指令存取、指令譯碼、指令存儲器地址生成等工作,協(xié)調(diào)處理器內(nèi)部指令與外部用戶命令正確執(zhí)行。

輸入/輸出接口電路包括16個32bit輸入寄存器、16個32bit輸出寄存器、4個數(shù)據(jù) 長度計數(shù)器、1個32bit命令寄存器等,完成指令、運(yùn)算數(shù)據(jù)從32bit數(shù)據(jù)總線裝載到指令存 儲器和輸人寄存器以及運(yùn)算結(jié)果從內(nèi)部通用寄存器寫入輸出寄存器等操作。


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