素数域椭圆曲线密码SoC的设计与实现

发布时间：2017-09-28 16:23

  本文关键词：素数域椭圆曲线密码SoC的设计与实现

  更多相关文章： 椭圆曲线密码(ECC) SoC 加速器 软硬件划分

【摘要】：随着计算机和电子商务的不断发展,信息安全变得日益重要。公钥密码系统是信息安全领域的重要分支,椭圆曲线密码系统作为目前已知的所有公钥密码中单比特安全性最高的密码算法,获得了广泛的应用。 本文研究了椭圆曲线密码SoC设计的相关技术,提出了一种适合于椭圆曲线密码算法的SoC结构。首先介绍了SoC设计的背景和软硬件协同设计方法学,并分析了椭圆曲线密码算法的理论基础和SM2国密算法。其次分析了素数域椭圆曲线密码算法的软件效率,针对软件算法效率较低的问题,对密码系统进行了合理的软硬件划分,并提出一种适合椭圆曲线密码算法的SoC架构。根据软硬件划分的结果,提出了一种适合于椭圆曲线密码SoC的硬件加速器设计,并采用ASIC设计方法实现了该ECC硬件加速器。 ECC硬件加速器支持素数域上位宽为64倍数的192位、256位到2048位的点乘和素数检测,并配备了紧耦合的存储单元。基于HJTC0.11um eFlash单元库综合的结果表明,加速器的最大工作频率可以达到160MHz,面积约为0.6mm2。在50MHz的频率下,192-bit非固定点乘运算性能为167次/s,256-bit非固定点乘运算性能为94次/s。实验结果表明,该加速器的单位面积性能高于其他同类设计。密码芯片实现了SM2商用密码标准规定的6种算法,芯片面积约为4mm2。数字签名的速度为64.1次/s,验证签名的速度为25.6次/s,公钥加密的速度为35.7次/s,公钥解密的速度为60.2次/s,密钥生成的速度为72.7次/s,密钥交换的速度为11.8次/s。实验结果表明,该加速器的单位面积性能高于其他同类设计。
【关键词】：椭圆曲线密码(ECC) SoC 加速器 软硬件划分
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 插图和附表目录9-11
• 1 绪论11-16
• 1.1 课题背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 本文研究内容和主要创新点14-15
• 1.4 本文架构15-16
• 2 SOC平台和SOC软硬件协同设计16-19
• 2.1 软硬件协同设计17-19
• 3 椭圆曲线密码算法理论基础19-31
• 3.1 椭圆曲线密码算法19-20
• 3.2 椭圆曲线密码SM2标准20-22
• 3.2.1 数字签名算法21
• 3.2.2 密钥交换协议21-22
• 3.2.3 公钥加密算法22
• 3.3 椭圆曲线密码运算层次研究22-23
• 3.4 椭圆曲线运算分析23-31
• 3.4.1 模加运算23-24
• 3.4.2 模减运算24
• 3.4.3 模乘运算24-26
• 3.4.4 模逆运算26-27
• 3.4.5 模幂运算27
• 3.4.6 点加运算和倍点运算27-29
• 3.4.7 点乘运算29
• 3.4.8 素数检测29-31
• 4 椭圆曲线密码SOC架构31-49
• 4.1 芯片功能定义31-32
• 4.2 软硬件划分32-44
• 4.2.1 纯软件的SM2椭圆曲线密码算法应用32-44
• 4.2.1.1 开放源代码库OpenSSL简介33-34
• 4.2.1.2 椭圆曲线建立与功能函数34-35
• 4.2.1.3 软件流程图35-41
• 4.2.1.4 软件算法性能41-44
• 4.2.2 软硬件划分方案44
• 4.3 SoC架构44-49
• 4.3.1 SMS静态存储器系统46-47
• 4.3.2 POWM功耗管理47-49
• 5 ECC硬件加速器的VLSI实现49-66
• 5.1 点乘运算50-57
• 5.1.1 点乘控制模块51-52
• 5.1.2 点加运算模块52-54
• 5.1.3 倍点运算模块54-55
• 5.1.4 椭圆曲线的坐标系转换55-57
• 5.2 RABIN素数检测57-59
• 5.3 模乘运算59-61
• 5.4 模幂运算61-62
• 5.5 模逆运算62
• 5.6 模加和模减运算62-63
• 5.7 加速器综合结果和性能分析63-66
• 6 芯片实现66-67
• 7 总结与展望67-68
• 参考文献68-71
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 隋爱芬,杨义先,钮心忻,罗守山;基于椭圆曲线密码的可认证密钥协商协议的研究[J];北京邮电大学学报;2004年03期

2 张险峰,秦志光,刘锦德;椭圆曲线加密系统的性能分析[J];电子科技大学学报;2001年02期

3 杨君辉,戴宗铎,杨栋毅,刘宏伟;一种椭圆曲线签名方案与基于身份的签名协议[J];软件学报;2000年10期

，

本文编号：936890