基于FPGA PCI的并行計算平臺實

　　(4)實現與算法core間的協議邏輯，控制多種數據流的下行以及結果的返回。

　　2 MD5算法簡介

　　MD5(Message Digest 5)報文摘要算法是一種應用廣泛的提取數字指紋的算法標準，它由MIT的密碼學專家、RSA算法的發明人之一Rivest設計發明。MD5算法結構如圖5所示。

　　對任意長度的信息輸入，MD5都將產生一個長度為128bit的輸出，這一輸出可以被看作是原輸入報文的“報文摘要值(Message Digest)”。

　　MD5的特點：

　　(1)兩條不同的報文具有相同的報文摘要值的可能性極小。

　　(2)對于預先給定的報文摘要值，要想尋找到一條報文，使得其報文摘要值與某個給定的報文摘要值相等，在計算上是不可能的。

　　(3)根據報文的摘要值，要想推測出原來的報文是極端困難的。

　　MD5算法被廣泛地應用于網絡數據完整性檢查以及各種數據加密技術中。

　　Yahoo郵箱密碼算法是基于兩次MD5算法。共算法步驟如下：

　　stepl：對一個密碼字段(例如：dfeag~hyt)，用MD5算法加密：h=md5 (dfertgrhyt)。

　　step2：將step1所得結果轉換為32Bytes的hex值：hex(h)。

　　step3：將step2所得結果與一個yahoo提供的chanllenge值簡單級聯：string=hex(h)+chanUenge

　　step4：將step3所得結果再進行一次MD5運算：hash=md5(strmg)。

　　由于未得到實際Yaheo郵箱密碼生成參數(例如challenge碼)，本文構造了相近算法以測試本系統性能。

　　測試方案如下：

　　提供一個已知的challenge值與相應的Hash值，從提供的字典中提取合適密碼，由生成算法計算出對應的Hash值與提供的Hash值匹配來校驗匹配的密碼。密鑰字典的產生有兩種方式：人為構造字典及系統自加、窮舉產生密鑰。

　　 3 實測性能分析

　　實際系統中算法CORE運算時鐘為20MHz，64bit數據寬度輸入;采用多級流水線設計及運算速度就是系統運行時鐘的速度。除運算初期流水線建立過程和運算結束時流水線完成過程，運算速度均可視為20MHz;實際制成的系統為四片算法FPGA并行運算，實際吞吐量為4×20M×16bit=1.28Gb;經Ahem Quartus 4.1綜合，實際仲裁邏輯占用3725個邏輯單元。綜合頻率最高為156.2MHz，單算法邏輯占用7718個邏輯單元，綜合頻率最高為37.10MHz。

　　典型的普通PC機定點運算需要多個指令周期，包括取指令、取數據、計算、保存數據等指令周期，而一個x86指令周期又由多個CPU時鐘周期組成，大大降低了實際運算速度。由于單個CORE以20MHz時鐘流水線運算，相當于一臺普通PC機的運算速度，因此多個CORE并行運算即可達到多臺PC機并行運算的效率。

　　采取密鑰字典自FPGA窮舉產生方式，可發揮算法CORE的最大效能。若采取密鑰字典自PC機下載方式，則實際速率由PCI總線最高速率決定。但由于字典可以人為選取，大大降低了密鑰選取的盲目性。本系統接入普通PC機上32bit、32MHz的PCI總線，單算法CORE連續運算(64bit×20MHz)即可滿足PCI總線全速下載。若使用64bit、66MHz的PCI總線或PCI EXPRESS，將進一步提高系統的實際吞吐量。

　　本文提出了一種基于FPGA的適合大規模數字信號處理的并行處理結構，利用CORE的可置換性，可以針對不同應用的數字運算設計不同的CORE，系統通用性的特點非常顯著。一臺普通PC機中可以同時插入數塊PCI卡。每塊卡上的任意一塊算法FPGA都可提供相當或超過一臺普通PC機的運算速度。而每增加一塊算法FPGA，在效率提高一倍的前提下，功耗增加不超過10W，而體積幾乎不變，成本也只是比普通PC機增加了五分之一。因此.本文提出的并行結構具有極高的性價比。

　　如果將PCI總線接口模塊集成到FPGA中以取代PCI9054芯片，將進一步降低硬件成本，減少硬件設計的復雜度;因實際運算速度與算法的并行度和優化有密切的關系，因此，設計不同應用的CORE以及相關算法的優化是下一步要進行的重要工作。