基于GPU的AES算法實(shí)現(xiàn)

摘要：近幾年圖形處理器GPU的通用計(jì)算能力發(fā)展迅速，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為具有巨大并行運(yùn)算能力的多核處理器，而CUDA架構(gòu)的推出突破了傳統(tǒng)GPU開(kāi)發(fā)方式的束縛，把GPU巨大的通用計(jì)算能力解放了出來(lái)。本文利用GPU來(lái)加速AES算法，即利用GPU作為CPU的協(xié)處理器，將AES算法在GPU上實(shí)現(xiàn)，以提高計(jì)算的吞吐量。最后在GPU和CPU平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了GPU的加速結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：圖形處理器；統(tǒng)一計(jì)算架構(gòu)；高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)算法

0 引言
隨著通信技術(shù)高速發(fā)展，信息安全也越來(lái)越重要。加密技術(shù)是對(duì)通信系統(tǒng)或者存儲(chǔ)系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)的一個(gè)很重要的方式。AES(高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn))算法是一種分組密碼算法，具有極高的安全性能，自提出之日起便成為信息安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。由于該算法在實(shí)現(xiàn)方面具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，速度快，可并行處理，分組長(zhǎng)度可以改變，對(duì)處理器結(jié)構(gòu)無(wú)特殊要求等特點(diǎn)，在電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，硬件實(shí)現(xiàn)需要較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期和很高的成本，并且硬件實(shí)現(xiàn)不靈活，不易后續(xù)的升級(jí)和維護(hù)，而且只適合做部分算法的實(shí)現(xiàn)，限制了應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。近幾年GPU(圖形處理器)已經(jīng)成為普及的電子消費(fèi)品，在市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，GPU已經(jīng)發(fā)展成為具有巨大運(yùn)算能力和極高內(nèi)存帶寬的并行多核處理器。近幾年在某些信號(hào)處理任務(wù)中使用GPU的運(yùn)算性能超過(guò)了FPGA。
傳統(tǒng)的GPU開(kāi)發(fā)具有很大的難度，而且由于無(wú)法充分利用GPU的資源，并且很多的開(kāi)發(fā)精力是用在將應(yīng)用轉(zhuǎn)換到圖形上，這就限制了GPU用作通用計(jì)算的應(yīng)用范圍，并且影響了GPU進(jìn)行通用運(yùn)算的性能。為了改變這一現(xiàn)狀，NVIDIA公司在2006年年底推出了一種利用GPU進(jìn)行通用計(jì)算開(kāi)發(fā)的架構(gòu)，稱作統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)，簡(jiǎn)稱為CUDA。它對(duì)GPU的結(jié)構(gòu)和資源進(jìn)行了抽象表示，并且為GPU的資源提供了訪問(wèn)接口，這就使得開(kāi)發(fā)者能夠根據(jù)抽象的GPU結(jié)構(gòu)進(jìn)行通用計(jì)算應(yīng)用的設(shè)計(jì)，并且可以充分利用到GPU中的資源。

1 AES算法分析
AES算法由NIST在2001年11月26日公布，并在2002年5月26日成為標(biāo)準(zhǔn)。AES算法具有分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度均可變的分組密碼。密鑰長(zhǎng)度和分組長(zhǎng)度可以獨(dú)立地指定為128bit、192bit或256bit。AES加密的圈數(shù)是一個(gè)變量，主要依賴于密鑰長(zhǎng)度，所有的運(yùn)算都將在一個(gè)4×4字節(jié)的模塊上進(jìn)行。每圈包括4個(gè)順序步驟：圈密鑰加，字節(jié)代替，行移位，列混合。在加密以前，我們必須使用密鑰擴(kuò)展算法擴(kuò)展密鑰。
狀態(tài)可以用字節(jié)為元素組成二維數(shù)組陣列，共4行，Nb列，Nb等于數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度除以32。密鑰的設(shè)計(jì)類似二維字節(jié)數(shù)組，也是4行，Nk列，且Nk等于密鑰塊的長(zhǎng)度除以32。AES算法使用的是圈變換，其變換的圈數(shù)Nr由Nb和Nk共同決定，如表1所示：

從具體規(guī)則上，AES算法在進(jìn)行加解密運(yùn)算時(shí)都會(huì)按照三大步驟進(jìn)行，依次為1)初始化的圈密鑰加法；2)(Nr-1)圈變換；3)最后一圈變換。這里以加密過(guò)程為例，其加密過(guò)程用偽代碼表示如下。

解密過(guò)程是加密過(guò)程的逆過(guò)程。