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可重构分组密码流水处理架构研究

薛煜骞  
【摘要】:密码芯片是承载密码算法和实现密码处理的重要载体,能够为网络空间安全提供机密性、完整性和不可否认性等安全服务,是确保网络空间安全的核心电子元器件。可重构密码芯片能够提供接近定制算法专用密码芯片的处理性能和通用微处理器的灵活性,流水线技术通过时间并行的方式同时处理多组数据,可提升密码芯片处理性能。论文针对分组密码算法,从流水线构造和可重构计算两点入手,研究并提出了一种可重构分组密码流水处理架构,主要研究内容及成果如下:本文从应用级、算法级和结构级出发,分析了分组密码算法的应用模式、算法组成和结构特征,研究了分组密码轮内流水和轮间流水处理结构,建立了一种基于轮内流水结构的分组密码处理架构模型。基于分组密码处理架构模型,研究了阵列的规模大小和结构组成,提出了一种可重构分组密码流水处理架构RBPA;研究了分组密码算法的基本编码环节,设计了包含6种运算单元和旁路单元的可重构密码处理单元;研究了分组密码的级间数据传递和数据反馈特性,设计了级间互联网络和轮间互联网络。该架构支持分组密码流水处理,支持ES、AES、Two Rish等算法的多流水线并行执行,提升了分组密码处理性能。研究了RBPA架构的数据存储需求,提出了一种基于双端口RAM的数据存储结构。采用多个双端口RAM分别存储待处理数据、已处理数据和子密钥,可支持多流水并发处理、数据交错读取和交错写入。设计了数据分发与收集模块,提出了一种基于数据包索引的数据分配技术,支持数据并行读取操作。以典型的分组密码算法ES、AES和Two Rish为例,分析了不同密码算法在RBPA架构上的映射过程,并基于仿真验证平台对分组密码算法在RBPA上的处理性能进行评估。实验结果表明RBPA架构在保持密码处理灵活性的基础上,能够支持分组密码多并发流水,具有较高的密码处理性能。


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