高性能雙線性對(duì)密碼算法與VLSI實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、雙線性對(duì)密碼是近年來公鑰密碼學(xué)新興研究領(lǐng)域之一。在過去十年中，雙線性對(duì)被廣泛而創(chuàng)造性地用于構(gòu)建新型信息安全協(xié)議，為人們帶來了傳統(tǒng)公鑰密碼技術(shù)難以提供的新穎而強(qiáng)大的信息安全服務(wù)，具有巨大的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。然而，與傳統(tǒng)公鑰密碼相比，雙線性對(duì)密碼復(fù)雜度更高，計(jì)算強(qiáng)度更大，雙線性對(duì)的計(jì)算效率往往成為相關(guān)信息安全協(xié)議是否能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。
　　本文以高性能雙線性對(duì)密碼算法及其VLSI實(shí)現(xiàn)為研究目標(biāo)，提出了一種雙線性對(duì)專用指令集處理

2、器。通過專用硬件加速單元、高效的指令集、以及以指令為紐帶的軟硬件協(xié)同，它能夠?qū)崿F(xiàn)高性能和靈活性的有機(jī)統(tǒng)一。
　　文章首先綜述雙線性對(duì)密碼學(xué)的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀，介紹其在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究進(jìn)展。其后，本文介紹了雙線性對(duì)構(gòu)造理論，包括雙線性對(duì)數(shù)學(xué)原理和優(yōu)化技術(shù)的基本概念，綜述了歷年來雙線性對(duì)計(jì)算研究所取得的重要進(jìn)展。
　　隨后，本文提出兩種適用于雙線性對(duì)計(jì)算的新型模乘算法。兩種算法均基于Montgomery模乘算法和商流水技術(shù)

3、，充分利用了二次擴(kuò)域乘法的并行性。算法一通過合并兩個(gè)模乘運(yùn)算，在利用運(yùn)算并行性的同時(shí)減少部分積?；谒惴ㄒ唬闹刑岢鲆环N高基乘法器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于雙線性對(duì)專用安全處理器中。算法一具有性能上的優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是運(yùn)算結(jié)果需要擴(kuò)位。算法二通過增加直接Montgomery約減來避免數(shù)據(jù)擴(kuò)位，并結(jié)合Lazy Reduction思想，通過合并更多模乘運(yùn)算從整體上減少由直接約減步驟增加的周期數(shù)。
　　最后，本文提出一種適用于雙線性對(duì)計(jì)算的專用安全

4、處理器，完成了指令集、指令流水線以及密碼加速單元等重要硬件模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。探索了通過并行執(zhí)行模乘與其他操作，并配合算法調(diào)度來提高密碼運(yùn)算吞吐率的性能優(yōu)化方法。專用處理器使用TSMC65nm工藝流片，芯片最高工作頻率800MHz，功耗266.5mW，面積2.51mm2。以254-bit最優(yōu)對(duì)為實(shí)現(xiàn)用例，最優(yōu)Ate對(duì)計(jì)算平均需0.64ms。通過對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果的分析，本文還對(duì)專用處理器作了進(jìn)一步改進(jìn)，通過改進(jìn)數(shù)據(jù)訪存機(jī)制、增加寄存器數(shù)量等措施進(jìn)