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        采用EPIC技術的可編程密碼處理器設計

        作者: 時間:2010-08-30 來源:網(wǎng)絡 收藏

         目前,在多數(shù)保密通信沒備中,主要通用CPU和專用硬件電路控制專用芯片來實現(xiàn)兩種方式的運算。前者控制專用芯片時,需要選用一種具有靈活性高、維護容易、升級方便等特點的性能優(yōu)良的通用微GPP(General Purpose Processor),但由于通用微指令的局限性,使密碼專用芯片達不到其最佳性能,嚴重影晌了保密通信的速度;專用硬件電路直接控制密碼專用芯片,雖然可使密碼專用芯片的性能達到最高,但由于其功能只依賴于密碼專用芯片及其外圍器件,使得靈活性差、開發(fā)周期比較長。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/151609.htm

          由此可見,無論采用上面哪種方式,由于密碼專用芯片的運算處理與控制分離,限制了密碼數(shù)據(jù)處理性能,制約了系統(tǒng)整體速度。針對上述問題,通過分析多種密碼算法,本文提出一種基于思想的顯式并行指令計算結構(密碼處理器架構,實現(xiàn)了速度與靈活性的折衷。

          1 密碼算法分析

          1.1 典型的密碼算法及其應用

          現(xiàn)針對七種分組密碼算法和兩種雜湊函數(shù)即DES、IDEA、Rijndael、RC6、Serpent、Twofish、Mars、MD5和SHA進行分析。

          分組密碼算法是一個將比特明文映射成n比特密文的雙射函數(shù),n為其分組長度,它的加密與解密過程具有相同的密鑰,因此又稱為對稱密碼算法。而雜湊函數(shù)是一種將任意長度的消息壓縮為某一固定長度的消息摘要的函數(shù),它主要用十數(shù)字簽名、消息的完整性檢測和消息的起源認證檢測等方面。

          DES算法(數(shù)據(jù)加密標準)是第一代公開的完全說明實現(xiàn)細節(jié)的被世界公認的分組密碼算法。其最初者是IBM公司,并取得了它的專利權。在隨后的二十多年中,DES算法作為一種典型的分組密碼算法,被廣泛地應用于保護商業(yè)數(shù)據(jù)的安全(如銀行系統(tǒng)等)。

          IDEA算法(國際數(shù)據(jù)加密算法)公布于1992年,足IPES標準,因廣泛應用于email加密認證軟件(PGP)中而聞名。

          Riindael是1998年公布的,并于2000年在由NIST(美國國家標準研究所)主持的AES評選中獲勝,此后Rijndael算法也稱為AES算法,成為逐漸代替DES的新的加密標準。

          RC6、Serpent、Twofish和Mars算法是與Rijndael算法一起參評的AES候選算法,它們都不同程度地體現(xiàn)了分組密碼算法的原則,對應用密碼學的發(fā)展產(chǎn)生了相當大的影響。

          MD5消息摘要函數(shù)是由RSA算法的設計者之一Rivest提出的一種單向散列函數(shù),它不基于任何假設和密碼體制,采用了直接構造的方法,處理速度非常快。

          SHA是1993年公布的聯(lián)邦信息處理標準(FIPS-180)的安全散列標準,由NIST提出并于1995年推出了其修訂版,通稱為SHA-1。

          1.2 密碼算法中的基本操作

          在分析上述算法的基礎上,提取出各個算法的核心操作類型,并總結出它們的基本操作分別為以下六類:S盒操作、比特置換操作、算術運算、邏輯運算、移位操作和有限域乘法運算。其中算術運算包括模加/減和模乘運算,邏輯運算則由‘與 i、‘或 i、‘非 i和‘異或 i組成,表1詳細列出了它們在各種算法中的具體應用,如DES算法中主要使用了S盒操作、比特置換、異或和移位操作。

          


          2 密碼處理器體系結構設計

          在典型的密碼處理器結構(AFPC)中,結構開發(fā)的是標量操作之間的隨機并發(fā)性,并且增加了功能部件的個數(shù)。不相關的指令由編譯顯式地編入到一個超長的機器指令字中,并發(fā)射到流水線,在各個功能部件中并發(fā)執(zhí)行,指令級并行度為4~8。這種結構的硬件控制相對簡單,在計算密集型應用時內(nèi)在并行性很明顯。且不需要很多轉移預測。在這種結構上運行指令能夠達到較高的實際指令級并行度。正是由于以上特點,結構在很大程度上符合了密碼算法的需求,即計算密集且順序執(zhí)行。

          可編程密碼處理器體系結構的硬什結構如圖1所示,整個處理器包括三部分:數(shù)據(jù)通路、控制單元和輸入/輸出接口電路。


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