可配置密码算法加速部件的研究与实现

论文摘要

随着我国信息化建设的不断深入,信息安全越来越得到了人们的关注。机密信息的密码化是保证信息安全的一种有效手段。高性能密码服务器提供了一个安全、高效的信息密码化平台。加解密运算的性能和支持的密码算法的种类是密码服务器的重要指标。本文针对如何通过设计和实现高性能密码服务器中的可配置密码算法加速部件RAAC来提高服务器的灵活性和高效性进行了深入的研究。该部件由FPGA实现,分为算法加速部件和算法动态配置控制器两部分。本文首先分析了Xilinx公司FPGA的五种配置模式,并在深入理解各模式优缺点的基础上,提出并实现了RAAC的动态配置方案。采用该方案可以使RAAC在系统不停机的情况下,根据应用的需求,实现不同加解密算法的秒级动态加载,极大地提高系统的适应能力和灵活性。本文还对RSA和DES算法软硬件实现方法进行了研究,并结合Xilinx FPGA的具体特点,在RAAC中对上述两种算法的实现进行了改进,分别提出了RAAC-RSA和RAAC-DES实现方案。其中RAAC-RSA方案采用改进后的systolic阵列来实现变种的蒙哥马力算法,进而完成RSA的核心运算——乘模运算。RAAC-DES方案则采用了18级流水线实现,可有效地提高DES算法的加解密性能,并可同时进行加密和解密运算。最后,本文介绍了RAAC-RSA和RAAC-DES与软件的协同工作方式并在服务器原型系统上对上述两种方案进行了性能评测。由于RAAC-RSA方案的性能与密钥的选取相关,本文还进行了蒙哥马力算法的性能评测,同时还对使用不同计算粒度实现RSA算法的方案进行了性能分析。通过实际测试得出以下结论:密钥和数据均为1024位的RAAC-RSA加密运算,性能约为30.3Kbps,蒙哥马力算法的性能约为32.2Mbps。RAAC-DES算法则能达到380.7Mbps的运算性能。由于系统开销和访存延时等原因,通过操作系统进行的以上测试的性能虽然与理论峰值性能间存在一定差距,但均达到高性能密码服务器的性能要求。

论文目录

• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 本文的主要研究内容和贡献
• 1.3 论文结构
• 第二章 高性能密码服务器体系结构
• 2.1 高性能密码服务器体系结构
• 2.2 可配置密码算法加速芯片RAAC 体系结构
• 第三章 RAAC 动态配置方法研究与实现
• 3.1 Xilinx FPGA 配置方法
• 3.1.1 Xilinx FPGA 配置流程概述
• 3.1.2 主串行配置模式（Master Serial Programming Mode）
• 3.1.3 从串行配置模式（Slave Serial Programming Mode）
• 3.1.4 主选择映射配置模式（Master SelectMAP Programming Mode）
• 3.1.5 从选择映射配置模式（Slave SelectMAP Programming Mode）
• 3.1.6 边扫配置模式（JTAG/Boundary Scan Programming Mode）
• 3.2 RAAC 动态配置方案与实现
• 3.2.1 RAAC 动态配置方案
• 3.2.2 RAAC 动态配置实现
• 第四章 RSA 加解密算法研究与实现
• 4.1 RSA 算法研究
• 4.2 RSA 算法的软硬件实现算法
• 4.2.1 软件实现
• 4.2.2 硬件实现
• 4.2.2.1 蒙哥马力算法
• 4.2.2.2 蒙哥马力算法变种
• 4.2.2.3 幂运算的转换及实现
• 4.3 RAAC 中RSA 算法实现方案
• 4.3.1 montgomery（X, Y） 算法的硬件实现
• 4.3.2 M（X, Y ） 算法的硬件实现
• 4.3.3 综合结果
• 4.4 RAAC-RSA 软硬件协同方案
• 4.5 RAAC-RSA 实现方案性能分析和评测
• 4.5.1 RAAC-RSA 实现方案性能分析
• 4.5.2 RAAC-RSA 实现方案性能评测
• 第五章 DES 算法加解密算法研究与实现
• 5.1 DES 算法研究
• 5.2 DES 算法的软硬件实现
• 5.2.1 软件实现方式
• 5.2.2 硬件实现方式
• 5.3 RAAC 中DES 算法实现
• 5.3.1 流水线结构
• 5.3.2 位置换部件结构
• 5.3.3 迭代部件结构
• 5.3.4 综合结果
• 5.4 RAAC-DES 实现方案性能分析和评测
• 第六章 结束语
• 6.1 课题研究结论
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 参考文献