公钥密码的并行处理算法与架构研究

论文摘要

随着无线通信技术的不断发展,无线通信的安全问题也日益凸显。无线通信的特点决定了它脆弱的安全性：只要窃听者拥有无线接收设备,那么他就可以截取其他人通过无线通信所收发的数据。如果窃听者获取了一些敏感信息如银行账户密码,个人身份等,那么将对通信者造成不可估量的损失。因此,对通信时的数据进行加密就成为了必然。事实上,在无线局域网领域,有很多相关的标准如802.11i和WAPI规定了无线通信时的加解密协议,以确保用户数据的安全性。在这些协议所实现的安全机制中,安全认证是非常重要的一环。在密码学领域,公钥算法由于具有独立的加解密密钥的特点可以提供非常安全的认证机制。但是,公钥密码算法的计算过程非常复杂,如在RSA加解密中需要做大量1024位以上整数的模乘运算。于是一般的运算平台尤其是小型的无线设备如网络接入点(Access Point)就需要较长的运算时间来实现基于公钥密码的安全认证过程。这种在认证过程中带来的运算延时会极大影响未来无线通信应用中的用户体验,如IP电话,高清视频直播等。于是,本论文以加速公钥密码为目的,对公钥密码的高性能低成本实现进行了研究,这包括两个方面。首先在算法上,本论文研究了公钥密码在多核处理器上的并行处理算法,包括对蒙哥马利模乘,椭圆曲线上点加和倍点的并行性进行了开发。另外,本论文对模乘算法的硬件设计进行了深入分析,提出了一种高速低面积的蒙哥马利模乘器结构,从而为低成本高性能的公钥处理器开发奠定了基础。最后,为了验证本论文中所提出的并行算法和硬件设计方法的有效性,本论文实现了一款面向公钥加密的四核处理器,该处理器在TSMC65nm LP工艺下进行了流片。芯片的测试结果表明该处理器只用较小的面积和功耗就可以获得非常高的吞吐率,证明了本论文中所研究内容的正确性及有效性。并且,所设计并流片的四核处理器测试结果表明它能很好的适用于未来一代的小型无线通信设备中,具有较好的应用前景。

论文目录

• 目录
• 主要英文缩略词表
• 图索引
• 表索引
• 算法索引
• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 新型无线接入中的信息安全需求
• 1.2 无线安全中加密系统设计面临的挑战
• 1.3 论文的主要内容和结构安排
• 第2章 公钥密码算法简介
• 2.1 公钥密码体系概述
• 2.2 RSA算法
• 2.3 椭圆曲线密码算法
• 2.3.1 椭圆曲线
• 2.3.2 曲线运算
• 2.3.3 点乘运算
• 2.4 双线性对算法
• 2.4.1 双线性对基础
• 2.4.2 曲线运算
• 第3章 模乘算法分析与硬件设计研究
• 3.1 原始的Montgomery模乘算法
• 3.2 软件实现Montgomery模乘
• 3.2.1 分离操作数扫描
• 3.2.2 粗粒度操作数扫描
• 3.2.3 细粒度操作数扫描
• 3.3 Montgomery模乘的硬件设计研究
• 3.3.1 低阶基Montgomery模乘器
• 3.3.2 高阶基Montgomery模乘器
• 第4章 公钥密码在多核上的并行算法研究
• 4.1 多核处理器背景介绍
• 4.1.1 主流多核架构
• 4.1.2 并行软件设计上的困难
• 4.2 事务级仿真平台
• 4.3 公钥密码算法在多核上的映射
• 4.3.1 Montgomery模乘在多核上的划分
• 4.3.2 ECC算法划分
• 第5章 多核处理器架构研究与硬件设计
• 5.1 多核处理器的硬件结构
• 5.2 多核处理器的ASIC实现
• 5.3 芯片测试
• 5.3.1 测试平台
• 5.3.2 测试结果
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 硕士学习期间录用和发表的学术论文
• 致谢