椭圆曲线密码算法的硬件加速研究

发布时间：2017-04-18 10:27

  本文关键词：椭圆曲线密码算法的硬件加速研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：椭圆曲线密码体制(ECC)是由Neal Koblitz和Victor Miller分别独立提出的一种公钥密码体制。公钥密码体制又称非对称密码体制,最早由Diffie和Hellman提出,与传统的使用相同的密钥进行加密和解密的私钥密码体制不同,它基于数学问题的难解性,使用不同且分离的密钥进行加密和解密。公钥密码体制的出现有效地解决了传统密码体制所面临的密钥分发、密钥管理等难题。与其他公钥密码体制(例如RSA)相比,在实现相同的安全级别时,ECC所需的计算量更少,密钥长度也更短,这使得ECC成为了资源受限制的应用环境中理想的公钥密码算法。椭圆曲线密码体制的实现方式可以分为软件实现和硬件实现。软件方式可以在通用处理器上借助高级编程语言完成,具有实现成本低、研发周期短的优势,但该方式所带来的较低的执行效率难以满足某些应用环境对性能的严格要求。硬件方式即通过设计硬件功能模块或芯片从而实现椭圆曲线密码体制,硬件实现方式虽然研发成本高、研发周期长,但硬件芯片的执行效率较高,克服了软件执行方式性能低下的缺陷。此外,硬件实现密码算法时,所有操作均在芯片内部进行,保持了物理上的隔绝,从而具有更高的安全性和可靠性。针对椭圆曲线密码算法,以硬件加速的方式提高算法的执行速度,本文提出了基于FPGA芯片和基于专用指令处理器的两种硬件加速研究方案。基于FPGA芯片的硬件加速方案是指在结合FPGA的硬件特性选择合适的算法之后,对算法进行改进以充分利用FPGA高度并行的优势并同时控制对硬件资源的消耗,然后根据算法中所出现的每一种运算设计更优的运算模块。该方案通过调整各运算模块间的逻辑关系,并借助并行和流水的加速方式,最大程度上减少主要模块的空闲周期,从而凭借较少的硬件资源消耗便实现了高性能的目标。基于专用指令处理器的硬件加速方案是指在已有处理器和指令集的基础上,设计用户专用指令并通过LISA语言建立处理器的高层模型,并对所设计的处理器模型进行高层的指令集仿真和验证。然后将LISA语言所建立的处理器模型转换成Verilog/VHDLRTL级描述的模型,并通过使用综合工具对RTL级描述的模型进行综合、布局和布线,从而将处理器模型转换成对应的门级电路,验证模型设计的正确性。
【关键词】：椭圆曲线密码体制 标量乘法 硬件加速 FPGA 专用指令处理器
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.4
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 绪论12-17
• 1.1 选题背景和研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-14
• 1.3 论文主要工作和组织结构14-17
• 第2章 椭圆曲线密码体制的理论基础17-22
• 2.1 有限域17-18
• 2.1.1 有限域17-18
• 2.1.2 二进制域18
• 2.2 椭圆曲线18-20
• 2.2.1 椭圆曲线18-19
• 2.2.2 运算法则19-20
• 2.3 椭圆曲线密码体制的运算层次20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 椭圆曲线密码体制的算法研究22-35
• 3.1 约减运算22-23
• 3.2 乘法运算23-26
• 3.2.1 比特并行乘法24-25
• 3.2.2 Karatsuba-Ofman多项式乘法25-26
• 3.3 平方运算26-27
• 3.4 求逆运算27-28
• 3.5 椭圆曲线标量乘法28-33
• 3.5.1 二进制方法29-31
• 3.5.2 Montgomery方法31-33
• 3.6 本章小结33-35
• 第4章 椭圆曲线密码算法的硬件加速35-54
• 4.1 硬件加速研究36-38
• 4.2 基于FPGA的硬件加速38-47
• 4.2.1 改进的椭圆曲线标量乘法38-43
• 4.2.2 有限域运算单元的硬件设计43-45
• 4.2.3 整体结构设计45
• 4.2.4 执行结果分析45-47
• 4.3 基于专用指令处理器的硬件加速47-52
• 4.3.1 专用指令处理器设计流程47-48
• 4.3.2 椭圆曲线密码算法的指令扩展48-50
• 4.3.3 扩展指令的设计50-51
• 4.3.4 性能评估51-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第5章 总结与展望54-56
• 5.1 全文总结54-55
• 5.2 课题展望55-56
• 参考文献56-61
• 致谢61-62
• 攻读学位期间发表的主要学术论文62-63
• 攻读学位期间参与科研项目及获奖情况63-64
• 附件64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 陈婧;蒋俊洁;王石;邓小铁;汪东升;;基于FPGA的高速椭圆曲线标量乘法结构[J];计算机研究与发展;2008年11期

  本文关键词：椭圆曲线密码算法的硬件加速研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：314690