基于SoC的分组密码可重构设计与实现

论文摘要

密码算法的实现通常可分为软件方式和专用硬件方式两种。软件方式灵活性强,但性能低,而专用硬件方式性能高,但灵活性差。可重构的实现方式可兼具两者的优点,从而具有较高的性能和灵活性。本文以一个自主研发的密码SoC系统为应用平台,对一个可重构密码运算模块进行了设计与实现。本文的主要工作和研究成果如下:一、分析了分组密码的设计原则和操作特性,对其中的相同或相似运算进行了提取和归纳。二、对分组密码可重构运算单元进行了分析与设计,包括S盒变换、模加(减)运算、模乘运算、模乘逆运算、有限域乘法运算、移位运算、置换运算。三、通过对已有可重构密码运算单元互连结构的分析和比较,提出了一种新的互连结构。该结构使灵活性和实现效率进行了较好折中,其规模和功耗得到有效控制,实现效率得到保证。四、对6种算法的可重构性进行了分析。依据算法的运行流程,提出了一种在时间上对算法进行重构,在空间上共用资源的重构模式,从而使资源消耗进一步降低。设计了一个基于SoC的可重构密码运算模块,包括:配制与运行控制字和状态字的设计、模块电路的设计、模块与SoC系统两种接口类型的设计。五、对可重构密码运算模块进行了三种方式的测试验证,测试验证过程均正确通过。把模块的实现结果与其它设计进行了比较,该模块占用资源较少,功耗较低,并具有较高的处理速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 分组密码算法的应用与实现
• 1.2 密码算法的可重构设计
• 1.2.1 可重构概念的提出
• 1.2.2 密码系统可重构设计的研究现状
• 1.3 本课题的研究背景、目的和意义
• 1.4 本文的研究内容和研究成果
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究成果
• 1.5 论文结构
• 第二章 分组密码的设计原则与操作特性分析
• 2.1 分组密码的研究与发展
• 2.2 分组密码的原理与处理结构
• 2.2.1 分组密码的数学模型
• 2.2.2 分组密码的设计原则
• 2.2.3 分组密码的整体结构
• 2.3 分组密码的运算特征分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 可重构密码运算单元的分析与设计
• 3.1 S盒变换单元的分析与设计
• 3.1.1 原理分析
• 3.1.2 设计实现
• 3.2 模加（减）运算单元的分析与设计
• 3.2.1 原理分析
• 3.2.2 设计实现
• 3.3 模乘运算单元的分析与设计
• 3.3.1 原理分析
• 3.3.2 设计实现
• 3.4 模乘逆运算单元的分析与设计
• 3.4.1 原理分析
• 3.4.2 设计实现
• 3.5 有限域乘法运算单元的分析与设计
• 3.5.1 原理分析
• 3.5.2 设计实现
• 3.6 移位运算单元的分析与设计
• 3.6.1 原理分析
• 3.6.2 设计实现
• 3.7 置换运算单元的分析与设计
• 3.7.1 原理分析
• 3.7.2 设计实现
• 3.8 可重构运算单元在FPGA上的实现
• 3.9 本章小结
• 第四章 可重构密码运算单元互连结构的设计
• 4.1 可重构密码运算单元互连结构的分类
• 4.1.1 直接相连型
• 4.1.2 寄存器堆间接相连型
• 4.1.3 类FPGA结构型
• 4.2 可重构密码运算单元互连结构的设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 可重构密码运算模块的设计
• 5.1 各个算法的可重构性分析
• 5.1.1 AES算法的可重构分析
• 5.1.2 DES、3DES算法的可重构分析
• 5.1.3 SMS4算法的可重构分析
• 5.1.4 IDEA算法的可重构分析
• 5.1.5 Blowfish算法的可重构分析
• 5.2 资源设置与实现模式
• 5.3 可重构密码运算模块的设计
• 5.3.1 配置与运行控制字和状态字的设计
• 5.3.2 模块电路的设计
• 5.3.3 接口电路的设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 测试验证与实现性能
• 6.1 密码运算模块的测试验证
• 6.2 密码运算模块的性能分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢