面向密码应用的定制处理器关键技术研究

论文摘要

密码算法及其应用程序是人们为了保障信息安全而发明的信息技术手段,作为安全加密技术的基础,在信息安全领域得到了广泛的运用。随着互联网技术的发展以及敏感数据越来越多的存储在网络上,密码算法在云计算、在线事务处理等网络应用中扮演着越来越重要的角色。同时由于通信技术、漏洞攻击技术和旁路攻击技术的进步,各应用对密码算法运算平台的计算速率、安全性能以及灵活性能提出了更高的要求。传统的软硬件运算平台如CPU、GPU、FPGA和ASIC对密码算法的各项性能支持互不相同,CPU的灵活性能高,但是计算速率和安全性低；GPU的计算速率高但安全性低功耗过大；ASIC的计算速率和安全性都很好,但是造价高同时灵活性太低；FPGA的安全性高功耗低,但计算速率平常且灵活性偏低。各计算平台对密码应用都分别只能满足一项或两项性能要求,且都分别具有过低的性能指标。本课题在对安全加密应用程序和加密算法深入分析的基础上,设计实现了两款面向密码应用的定制处理器IPCCP（IP Core Compute Processor）和FUMCP（frequent used mode Compute Processor）,提供了相应的编译器,同时设计了面向密码应用的可视化编程环境以供定制处理器的使用者方便的开发相应的密码应用程序。我们还设计了用于自动分析代码、发掘密码算法中频繁使用模式的新型快速频繁子图挖掘算法Top-FFSM。我们设计的IPCCP在运行示例程序时获得了相对于通用CPU 57、相对于FPGA 1.8的加速比；而FUMCP在运行示例程序时获得了相对于通用CPU 1.5至2的加速比,FUMCP相对于IPCCP的优势则是灵活性几乎与CPU完全一样。我们设计的频繁子图挖掘算法Top-FFSM在子图覆盖率和指令周期减少率上都取得了比通过C代码分析定制频繁使用部件更好的效果。本课题设计的可视化编程环境通过实验检验也被证明可以充分表达各种密码算法应用程序,同时对新的密码算法和密码程序都具有高度的可扩展性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 常见密码算法应用
• 1.1.2 性能需求
• 1.1.3 安全需求
• 1.1.4 灵活性需求
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 基于CPU和GPU的软件加速平台
• 1.2.2 基于FPGA和ASIC的硬件加速平台
• 1.2.3 定制处理器的软硬件结合加速平台
• 1.3 课题研究目标
• 1.4 课题研究内容
• 1.5 课题研究环境
• 1.5.1 硬件环境
• 1.5.2 软件环境
• 1.6 论文结构
• 第二章 基于密码算法流水部件的定制处理器
• 2.1 定制处理器体系结构
• 2.1.1 硬件结构
• 2.1.2 指令集设计
• 2.2 密码算法流水部件设计
• 2.2.1 MD5流水加速部件的设计与实现
• 2.2.2 DES加速部件的设计与实现
• 2.2.3 加速部件性能测试
• 2.2.4 部件接口标准设计
• 2.3 应用实例
• 2.3.1 Office word的口令验证原理
• 2.3.2 Word解密程序在FPGA上的实现
• 2.3.3 Word解密程序在IPCCP上的实现
• 2.4 性能分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于频繁运用模式的定制处理器
• 3.1 定制处理器体系结构
• 3.1.1 硬件结构
• 3.1.2 指令集设计
• 3.2 基于密码算法c程序的频繁使用模式分析
• 3.2.1 计算模式
• 3.2.2 访存模式
• 3.3 频繁使用模式部件定制
• 3.3.1 计算模式部件
• 3.3.2 访存模式部件
• 3.4 面向定制处理器的编译工具设计与实现
• 3.4.1 LCC可重定向编译器简介
• 3.4.2 编译后端的绑定及其输入数据结构
• 3.4.3 指令搜集和数据依赖关系图
• 3.4.4 复杂结构识别和建立
• 3.4.5 VLIW指令排布和输出
• 3.5 频繁使用模式的匹配与指令替换
• 3.5.1 计算模式的匹配与指令替换
• 3.5.2 访存模式的匹配与替换
• 3.6 实验数据和性能评估
• 3.7 本章小结
• 第四章 面向密码应用的快速频繁子图挖掘算法
• 4.1 频繁子图挖掘研究背景
• 4.2 快速频繁子图挖掘算法设计与实现
• 4.2.1 图数据库GDB的建立
• 4.2.2 频繁子图的权值设定
• 4.2.3 频繁子图拓扑结构归类
• 4.2.4 子图估值登记数据结构
• 4.2.5 GDB的遍历算法
• 4.3 快速频繁子图挖掘算法性能分析
• 4.3.1 计算复杂性和程序效率分析
• 4.3.2 子图挖掘结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 面向密码应用的可视化编程
• 5.1 可视化编程研究现状
• 5.1.1 可视化编程和可视化编程语言的定义
• 5.1.2 可视化编程语言的发展现状
• 5.2 可视化编程与定制处理器
• 5.3 可视化编程模块化语言设计
• 5.3.1 编程主界面
• 5.3.2 数据类型描述
• 5.3.3 数字和逻辑运算描述模块
• 5.3.4 函数描述模块
• 5.3.5 控制结构描述模块
• 5.3.6 用户定制模块
• 5.3.7 编程示例
• 5.4 可视化语言到类C语言的转换
• 5.4.1 描述程序的树链表结构
• 5.4.2 树链表结构到类C语言
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 作总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果