基于片上网络的SHA256算法优化

发布时间：2020-03-19 20:57

【摘要】：随着密码学理论和分布式网络的发展,区块链技术进入了高速发展的时期。区块链的典型应用——数字货币,如雨后春笋般涌现开来。区块链技术就是建立在密码学的基础上,实现去中心化的分布式网络结构。在整个区块链中,核心就是哈希值的计算。计算出有效哈希之后,才可以建立新的区块。在区块链中,计算哈希值应用最为广泛的算法是SHA256算法。SHA256算法内部的执行过程就是整体的循环迭代,本次的循环迭代结果作为下次迭代的结果的输入数据。这样就形成了整个算法的严重前后依赖。并且,算法内部主要是逻辑操作指令,存在大量的指令冗余。本文的研究内容主要是针对SHA256算法指令冗余和串行执行两个方面进行优化。本文主要的研究内容:1.对SHA256算法进行指令优化在指令优化这一章节中,着眼于SHA256算法的整体循环过程中,提出了常量和变量的分离,来减少常量的无效传输造成的算力浪费;针对算法中两次大量循环的函数,设计并实现了 SHA256算法的特制指令,大幅度的减少了整个算法执行过程中指令的数目,加快了算法的执行效率;最后,由于有效哈希的判断需要通过两个判断条件,但是两个条件满足的可能性具有很大不同。所以将两个判断条件进行了分离,同时设计并实现了 SHA256算法特制的判断指令。2.SHA256算法流水计算的实现SHA256算法在实际的执行过程中,是多次迭代的过程,每次迭代使用的数据是上次迭代的结果,两次迭代存在一种严重的数据依赖。因此,SHA256算法整个执行过程是串行执行的,无法进行并行计算。但是,在实际应用过程中,SHA256是需要多次执行的,因此流水计算能够应用在SHA256算法的执行过程中。并且,实验中是将SHA256算法分解成数据流图进行计算的。基于这个前提,设计并实现了 ACK机制,通过ACK机制,实现数据流图中部分节点的并行计算,提高了整个算法的执行效率。3.多任务错位映射法的应用再完成指令优化和实现流水计算之后,将算法映射在片上网络之后,实际的部件利用率还是很低。问题的本质就是因为SHA256算法存在依赖,PE空闲率高。针对片上网络的部件空闲率高的情况,提出了多任务错位映射的优化方案,在片上网络中映射多任务,进行错位映射。通过这种方法将空闲的算力利用起来,提高片上网络的部件利用率。
【图文】：

哈希,初值

基于片上网络的ＳＨＡ２５６算法优化逡逑而８个哈希初始值是对自然数的前８个质数进行取平方根的小数部分的前逡逑３２ｂｉｔ，作为哈希值的初始值。８个哈希值如图１．４所示：逡逑１逦Ｈ（０）０邋＝邋６ａ０９ｅ６６７逡逑２逦Ｈ（０）１邋＝邋ｂｂ６７ａｅ８５逡逑Ｈ｛０）２邋＝邋３ｃ６ｅｆ３７２逡逑４逦Ｈ（０）３邋＝邋ａ５４ｆｆ５３ａ逡逑Ｈ（０）４邋＝邋５１０ｅ５２７ｆ逡逑Ｈ（０）５邋＝邋９ｂ０５６８８ｃ逡逑Ｈ（０）６邋＝邋Ｉｆ８３ｄ９ａｂ逡逑Ｈ｛０）７邋＝邋５ｂｅ０ｃｄｌ９逡逑图１．４哈希初值逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｈａｓｈ邋ｉｎｉｔｉａｌ邋ｖａｌｕｅ逡逑在ＳＨＡ２５６算法中，整个算法所进行的操作基本上是都是逻辑运算。逡逑ＳＨＡ２５６算法使用到逻辑函数如图１．５所示：逡逑１逦ＣＨ邋Ｃ邋ｘ，邋ｙ＃邋ｚ）邋＝邋（ｘ邋ＡＮＤ邋ｙ）邋ＸＯＲ邋（邋（ＮＯＴ邋ｘ）邋ＡＮＤ邋ｚ）逡逑２逦ＭＡＪ（邋ｘ

逻辑操作,哈希

通过这个公式就可以得到６４个中间变量。然后，会进行６４次的循环，才逡逑完成一次迭代。在这６４次循环中，就是使用之前介绍那些逻辑函数，，对哈希值逡逑进行逻辑操作。每次循环如图１．９所示：逡逑ｆＡ邋｜邋Ｂ邋｜邋Ｃ邋１邋Ｄ邋１邋Ｅ邋｜邋Ｆ邋１邋Ｇ邋１邋Ｈ邋｜逡逑ＩＩ邋￣￣逦｜邋￣￣逦Ｗ，逡逑—＝＝１逦一＾１．；邋ＥＨ－逡逑逦ＨＵＢ—三彐逡逑Ｅ３－逦逦—逡逑—＝＝＝＝＝－逦二，：Ｍａ邋－Ｅ３逡逑逦…彐逡逑、、Ｘ邋Ｘ邋Ｘ逦Ｘ－．逦逦逦逦逦逡逑ｖ－、．、逡逑ｌＡｌＢｌＣｌＤｌＥｌＦ邋１邋Ｇ邋Ｉ邋Ｈ￣ｌ逡逑图１．９逻辑操作图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．９邋Ｌｏｇｉｃａｌ邋Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ邋Ｄｉａｇｒａｍ逡逑图中的ＡＢＣＤＥＦＧＨ是哈希值Ｈ（ｉ）８个３２ｂｉｔ的分量。完成一次循环之后，逡逑哈希值的每个分量都会按照一定的规则进行更新，这样就形成了整个哈希值的逡逑更新。经过６４次循环之后，就完成了本次迭代，形成了新的哈希值Ｈ。经过Ｎ逡逑次迭代之后，最终的到Ｈ（Ｎ）就是ＳＨＡ２５６算法的消息摘要。逡逑通过对ＳＨＡ２５６算法的简单介绍和分析，我们可以发现在算法的计算过程逡逑中
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院人工智能学院)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN47;TP311.13

【相似文献】