基于可重构硬件的公钥密码算法实现研究

论文摘要

目前以高密度FPGA为基础的可重构计算发展迅速,它结合了基于微处理器的软件灵活适应性和专用ASIC硬件处理的高效性,已经在信息处理领域取得了广泛的应用。现代信息安全的核心是密码算法,本文主要研究了RSA和椭圆曲线密码ECC这两种典型的公钥密码算法的可重构硬件设计。本文的主要研究工作包括:(1)分析了RSA和ECC算法,探讨了算法硬件实现的关键技术;(2)针对密码算法的处理具有较高的运算强度和计算复杂度的特点,设计了阵列处理结构,实现核心运算算法到计算结构的空间映射,通过构成阵列、并行流水线式的处理结构,匹配密码算法的运算模式,力求达到算法与硬件处理结构的最佳匹配。实验结果表明可以获得较高的并行处理能力和计算效率;(3)本文提出了一种具有可配置性的RSA密码系统的详细设计方案并详细设计了各个功能模块;采用改进的Montgomery模乘算法,实现了模位数为64,128,256,512位的数据加密;系统可以支持不同的模位数,密钥长度和加解密速度,可以适应不同的应用要求;(4)研究了有限域GP(2m)上的ECC核心运算模块:有限域上的模乘、模除运算以及群运算层上的快速点乘算法;并将核心子算法在可重构硬件上映射实现。分析和验证结果表明ECC设计功能正确;(5)基于可重构硬件实验平台设计实现了RSA和ECC公钥密码硬件加解密系统,并从加解密结果,运算所需的时钟频率和速度,以及硬件资源情况,对系统性能进行了评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 公钥密码算法研究状况
• 1.2.1 密码算法的发展
• 1.2.2 公钥密码算法的分类
• 1.2.3 椭圆曲线密码的研究现状
• 1.3 密码算法的硬件实现技术现状
• 1.4 基于可重构硬件的密码算法实现技术
• 1.5 本文研究内容及结构安排
• 第二章 可重构硬件与系统简介
• 2.1 概述
• 2.2 FPGA 简介
• 2.3 可重构系统的分类
• 2.4 可重构实验系统
• 2.4.1 可重构硬件设计平台简介
• 2.4.2 硬件开发语言及环境
• 2.4.3 位流文件的生成
• 2.4.4 基于Visual C++环境的上层控制模块设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 公钥密码算法分析
• 3.1 RSA 公钥密码算法
• 3.2 椭圆曲线密码算法
• 3.2.1 有限域上的椭圆曲线
• 3.2.2 椭圆曲线密码加解密算法
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于可重构硬件的RSA 设计实现
• 4.1 Montgomery 算法到脉动阵列的映射
• 4.1.1 Montgomery 模乘算法
• 4.1.2 脉动阵列处理结构简介
• 4.1.3 算法映射实现
• 4.1.4 脉动阵列结构实现
• 4.2 模幂运算
• 4.3 RSA 密码系统的设计
• 4.4 实验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于可重构硬件的ECC 设计实现
• 5.1 椭圆曲线密码运算层分析
• 5.2 有限域上的二进制比特流运算与分析
• 5.3 核心运算模块的设计
• 5.3.1 有限域模乘器
• 5.3.2 有限域模除器
• 5.3.3 点乘运算算法分析
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 进一步研究
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文