高性能雙線性對密碼算法與VLSI實現(xiàn)研究.pdf

1、雙線性對密碼是近年來公鑰密碼學新興研究領(lǐng)域之一。在過去十年中，雙線性對被廣泛而創(chuàng)造性地用于構(gòu)建新型信息安全協(xié)議，為人們帶來了傳統(tǒng)公鑰密碼技術(shù)難以提供的新穎而強大的信息安全服務，具有巨大的研究價值和廣泛的應用前景。然而，與傳統(tǒng)公鑰密碼相比，雙線性對密碼復雜度更高，計算強度更大，雙線性對的計算效率往往成為相關(guān)信息安全協(xié)議是否能實現(xiàn)的關(guān)鍵所在。
　　本文以高性能雙線性對密碼算法及其VLSI實現(xiàn)為研究目標，提出了一種雙線性對專用指令集處理

2、器。通過專用硬件加速單元、高效的指令集、以及以指令為紐帶的軟硬件協(xié)同，它能夠?qū)崿F(xiàn)高性能和靈活性的有機統(tǒng)一。
　　文章首先綜述雙線性對密碼學的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀，介紹其在學術(shù)界與工業(yè)界的研究進展。其后，本文介紹了雙線性對構(gòu)造理論，包括雙線性對數(shù)學原理和優(yōu)化技術(shù)的基本概念，綜述了歷年來雙線性對計算研究所取得的重要進展。
　　隨后，本文提出兩種適用于雙線性對計算的新型模乘算法。兩種算法均基于Montgomery模乘算法和商流水技術(shù)

3、，充分利用了二次擴域乘法的并行性。算法一通過合并兩個模乘運算，在利用運算并行性的同時減少部分積?；谒惴ㄒ?，文中提出一種高基乘法器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)并應用于雙線性對專用安全處理器中。算法一具有性能上的優(yōu)勢，但缺點是運算結(jié)果需要擴位。算法二通過增加直接Montgomery約減來避免數(shù)據(jù)擴位，并結(jié)合Lazy Reduction思想，通過合并更多模乘運算從整體上減少由直接約減步驟增加的周期數(shù)。
　　最后，本文提出一種適用于雙線性對計算的專用安全

4、處理器，完成了指令集、指令流水線以及密碼加速單元等重要硬件模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。探索了通過并行執(zhí)行模乘與其他操作，并配合算法調(diào)度來提高密碼運算吞吐率的性能優(yōu)化方法。專用處理器使用TSMC65nm工藝流片，芯片最高工作頻率800MHz，功耗266.5mW，面積2.51mm2。以254-bit最優(yōu)對為實現(xiàn)用例，最優(yōu)Ate對計算平均需0.64ms。通過對實現(xiàn)結(jié)果的分析，本文還對專用處理器作了進一步改進，通過改進數(shù)據(jù)訪存機制、增加寄存器數(shù)量等措施進