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基于OpenCL的AES算法的多线程并行实现

作　者: 裴莹
导　师: 胡亮
学　校: 吉林大学
专　业: 网络与信息安全
关键词: AES 并行 OpenCL GPU
分类号: TP309.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

AES高级加密标准是美国标准技术协会（NIST）于2001年发布的。AES是一个对称分组密码，也就是说加密和解密使用的密钥是相同的。AES之所以可以取代DES是因为AES具有DES所没有的优点。最重要的就是安全性高，可以抵御目前发现的几乎所有攻击。AES的应用范围广泛，不仅可以保证数据的安全性也能保证数据的完整性，因此我们对它的研究是很有意义的。对于AES来讲，执行效率是一个很重要的评估指标，而并行化是一个提高速度的有效途径，实现并行化的一个有效的方法就是采用多线程，而在传统的串行运算设备中，例如CPU，线程之间的切换开销是比较大的，所以一般来说，是不鼓励程序员为一个算法开启大量线程的，而GPU相对于CPU有很多自己独到的特点，这些特性决定了GPU的计算模式是以一种并行的方式实现的。在类似于GPU的并行运算设备中，线程之间的切换是非常廉价的，这些设备也正是通过线程之间切换来隐藏一些内存访问延迟的，与CPU相反，并行设备一般是不鼓励设备运行具有很少线程的算法。GPU的这些特点决定了它具有很好的并行运算能力。OpenCL是一个用于异构平台上编程的开放性行业标准，这个平台包括CPU GPU和其他各类计算设备。OpenCL会将各类计算设备组合成一个统一的平台。OpenCL不仅仅是一种编程语言，更是一个完整的并行框架，它包括编程语言，API，函数库以及运行时系统来支持软件在整个平台上的开发。OpenCL是为那些想要编写出可移植高效的程序开发人员量身定做的。OpenCL为他们提供了一个低级别硬件抽象层和一个编译框架来支持编程，OpenCL将许多并行设备行为抽象为API来引导开发者进一步加速他们的程序。OpenCL正是为程序员提供了控制并行计算设备的一些接口以及一些控制运算单元行为的类C编程语言，用户可以利用OpenCL接口开发出并行度很高的程序，并且将其运行在GPU或者其他处理设备上。本文依据OpenCL规范编写出了一个可运行于GPU上的AES内核程序，并且利用OpenCL的API在host端管理内核程序的运行。用OpenCL编写出的程序都是在本地主机上开始和在本地主机上结束的。最后经过上机实验，结果表明，在加密较大规模的数据时，利用OpenCL编写的可运行于GPU上的内核程序比运行于CPU上的串行程序在速度上有很大的提高。最后，由于OpenCL内核程序还有一定的优化空间，本文又针对AES算法的特点和访问GPU设备内存的特点，对访问设备内存做了优化。由于频繁访问全局内存，会使内核程序的执行速度降低。因此，为了减少了访问全局内存的次数，采用了工作组和局部索引空间，并且申请了相应大小的局部内存，经过实验表明，经过优化后的内核程序，比优化之前的内核程序在执行速度上又有了一定的提高。

基于OpenCL的AES算法的多线程并行实现

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