基于多核FPGA的压缩文件高效能口令恢复算法的研究与实现

发布时间：2020-11-14 12:51

　　 随着互联网上的压缩文件数量越来越多,涉及秘密信息的加密压缩文件随着人们信息安全意识的增强在不断增多,因此,加密压缩文件的口令恢复对信息安全有至关重要的意义。目前,互联网主流的压缩软件有WinRAR(RAR3和RAR5)、WinZip、7-Zip三种,它们对信息的加密主要以SHA-1、SHA-256算法为核心,并且以AES-128、AES-256以及CRC32等算法作为校验加密来提高安全性,增强破译难度。传统的口令恢复方法主要是基于CPU的通用服务器破解,其计算速度受限于CPU架构,计算资源受限于系统调度,且指令之间串行执行,无法实现高速并行计算。而GPU平台由于涉及到访存问题,限制了破译性能,并且其架构固定、灵活性小、功耗较高。因此,需要更高性能的计算平台实现口令恢复。本文的主要工作有以下几点:1.深入研究了FPGA的架构、计算资源及功能特性。FPGA具有独特的可重构特性、高处理能力的位运算和完善的软件开发环境。因此,FPGA作为口令恢复算法实现的计算部件非常合适。2.通过对RAR3、RAR5、WinZip、7-Zip口令恢复算法的处理、存储、通信(Processing Memory Communication,PMC)特性深入分析,提出了基于FPGA实现四种解密算法。算法的高密度计算需求主要集中在SHA-1、SHA-256、数据拼接三个部分,需要多次重复操作。同时,算法具有较高的存储需求和通信需求。从而能够结合FPGA的运算特性以及结构特点,对算法的不同部分进行相应优化,实现算法的高性能运算。3.基于FPGA设计实现了四种压缩文件口令恢复算法并进行优化。通过对算核SHA-1、SHA-256进行分析,使用流水线方法实现哈希算法,并利用预计算和保留进位加法器优化算法的关键路径,提高算法的吞吐量。数据拼接部分则采用基于循环队列的方法进行实现,从而和哈希算法形成完整的流水线结构,提升算法的性能。同时使用双端口RAM存储需要重复使用的数据,并利用FIFO缓存数据,隔离不同时钟域,提升算法的存储需求。最后对算法的整体实现结构进行多算子优化,提高FPGA芯片的资源利用率。4.对算法的实现效果和实验结果进行了分析。哈希算法SHA-1的吞吐量为160.256Gbps,SHA-256的吞吐量为110.080Gbps。由于口令恢复算法不同,破解速度也不同,破解10位长度的口令,RAR3每秒20145个,RAR5每秒47056个,WinZip每秒1493582个,7-Zip每秒12640个,且7-Zip的破解性能是同时期CPU的226倍,GPU的1.4倍,能效比是GPU的8倍,表明优化后的算法性能有了很大提升,具有较高的能效比。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN791;TP309
【部分图文】：

相关理论研究从上图可以看出FPGA芯片主要有6部分资源组成：可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。每个模块的功能描述如下。（1）可编程输入/输出单元（IOB）可编程输入/输出单元是FPGA与外部的数据传输接口，简称I/O单元。支持不同的电气特性要求，使输入/输出信号获取匹配。FPGA内的输入/输出单元分类为不同组，组与组之间可以相互独立，用于支持不同的输入/输出规则。I/O中的上、下拉电阻可以通过软件配置，用于满足不同的设计需求。（2）可编程逻辑块（CLB）CLB是FPGA内的基本逻辑单元，不同器件的CLB数量不同，特性也不同，但每个CLB都包含有一个或多个查找表、触发器、多路选择器等基本单元，如图2.2所示。通过配置CLB，来实现用户定义的逻辑功能。

内嵌的块RAM是FPGA内部非常重要的存储单元，能够为FPGA提供更广的应用范围和灵活性，单个块RAM大小根据芯片而不同，多个块RAM可以级联形成更大的块RAM，其结构如图2.3所示。

（6）内嵌底层功能单元内嵌底层功能模块主要包含延迟锁定环(Delay Locked Loop，DLL)、锁相环(Phase Locked Loop，PLL)、数字信号处理(DSP)等软处理核(Soft Core)。图2.4是内嵌的DSP结构图。图 2.4 内嵌的 DSP 结构图
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本文编号：2883497