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灵活可配的大数运算架构设计

作　者: 赵开兰
导　师: 张培勇; 黄凯
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 大数运算 RSA ECC 灵活可配加速层次化资源复用
分类号: TN918.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 6次
引　用: 0次
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内容摘要

现有基于大数运算的加密技术由于运算量庞大而使得加密速度缓慢,设计硬件加速器是解决该问题的主要方法。但现有的加速器架构可配性低,不够灵活。为了解决加速器硬件架构的灵活性问题,本文提出了一种新的层次化硬件架构,该架构可配度更高,加速效果更优,且采用资源复用技术减少了硬件资源开销。该架构包含四层：应用层、功能层、辅助运算层和硬件资源层。四层均可选择用硬件实现还是软件实现,若采用硬件实现,各层内的每个功能模块均可选择实现该功能或不实现该功能(功能块选择可配)。根据各层的实现方式不同该架构可配置为四种不同的实现模式：1层(硬件资源层)硬件实现和3层(应用层、功能层和辅助运算层)软件实现,即一层硬件三层软件模式；2层(辅助运算层和硬件资源层)硬件实现和2层(应用层和功能层)软件实现,即二层硬件二层软件模式；3层(功能层、辅助运算层和硬件资源层)硬件实现,1层(应用层)软件实现,即三层硬件一层软件模式；四层全部硬件模式。本文分别以一层硬件三层软件模式和三层硬件一层软件模式进行了实验,以证明该架构的优越性。一层硬件三层软件模式实验中硬件资源面积消耗仅0.15mm2,却可以同时用于RSA和ECC的实现中。在60MHZ的工作频率下以四块DSP并行处理可以对RSA加速24倍,1s可加密两次,而且模长越长加密性能越好。三层硬件一层软件模式实验采用资源复用技术以14%的额外硬件资源开销实现了在模频繁变化的环境下两倍于文献[8]的加密速度。实验结果显示本文所提出的大数运算硬件架构硬件资源开销小,运算速度快,不仅加密长度可配,而且实现模式可配,即使同一层内亦支持功能块选择可配。大大拓宽了其应用范围,缩短了开发周期。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-13
第1章绪论  13-18
  1.1 大数运算的背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究动态  14-15
  1.3 研究目标和内容  15-16
  1.4 研究方法  16
  1.5 预期成果及创新点  16-18
第2章 RSA & ECC算法  18-36
  2.1 密码学概述  18-23
    2.1.1 密码学的发展  19-21
    2.1.2 密码体制分类  21-23
  2.2 RSA公钥加密算法  23-28
    2.2.1 RSA算法简介  23-24
    2.2.2 RSA算法描述  24-26
    2.2.3 RSA用到的数论知识  26-27
    2.2.4 RSA存在的缺点  27
    2.2.5 RSA常见攻击方式  27-28
  2.3 ECC(椭圆曲线加密)算法  28-33
    2.3.1 椭圆曲线  29
    2.3.2 椭圆曲线上的点加  29-31
    2.3.3 椭圆曲线上的点乘  31
    2.3.4 椭圆曲线加密算法描述  31-33
    2.3.5 ECC与RSA的算法比较  33
  2.4 RSA,ECC与大数运算  33-35
    2.4.1 RSA与大数运算  33-34
    2.4.2 ECC与大数运算  34-35
    2.4.3 共通性  35
  2.5 本章小结  35-36
第3章灵活可配的大数运算层次化架构  36-43
  3.1 现有大数运算的加速方法  36-39
  3.2 灵活可配的大数运算层次化架构  39-42
    3.2.1 资源复用  40-41
    3.2.2 灵活性  41
    3.2.3 可配性  41-42
  3.3 本章小结  42-43
第4章一层硬件三层软件模式研究与实现  43-53
  4.1 一层硬件三层软件模式简介  43
  4.2 一层硬件三层软件模式实现  43-44
  4.3 硬件  44-46
  4.4 软件  46-49
  4.5 软硬件接口  49-50
  4.6 实验结果  50-52
  4.7 本章小结  52-53
第5章三层硬件一层软件模式研究与实现  53-66
  5.1 三层硬件一层软件模式的研究意义  53-54
  5.2 算法描述  54-58
    5.2.1 偶数模逆算法  54-56
    5.2.2 基-64 MMM算法  56-57
    5.2.3 C算法  57-58
  5.3 硬件架构  58-63
    5.3.1 RSA层次化资源复用架构  58-60
    5.3.2 模逆架构  60-61
    5.3.3 蒙哥马利模乘架构  61-62
    5.3.4 C算法实现  62-63
  5.4 实验结果  63-65
  5.5 本章小结  65-66
第6章总结与展望  66-68
  6.1 总结  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-71
作者简历  71

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