流密码算法可重构架构设计与实现
数据规模近年来增长迅猛，信息安全的地位日渐凸显，流密码作为一种保密性良好、加解密速度快、常用于国防军事等安全性需求较高的领域的加密体制，发挥着重要作用。为了做好信息安全基础设施服务的保障，流密码算法的实现载体要在灵活性、性能和安全性等指标之间进行权衡，可重构密码处理器可以在保证一定处理速度的前提下同时满足一个信息安全解决方案对多种密码算法的需求，而且安全性也是有保障的。本文面向流密码算法设计了一种可重构架构。主要从以下方面进行了研究： （1）回顾了流密码的发展历程，对流密码算法的设计结构进行了分析，归纳了流密码算法设计中的构建块，并以此作为依据对流密码算法进行了设计结构上的分类；根据分类选取了目标流密码算法，并研究了目标流密码算法的结构特征和数据流特征；从可重构计算思想角度出发，对目标流密码算法的结构和操作进行了分解，提取了目标流密码算法的共性逻辑。 （2）对可重构密码处理器的关键技术，即存储单元、重构粒度、运算功能、互连结构、配置信息进行了研究，并以此作为切入点，完成了面向流密码算法的可重构架构的设计，主要针对可重构反馈移位寄存器阵列、抽头抽取结构、可重构运算单元阵列、反馈数据选择模块、配置信息进行了研究与设计。 （3）对所设计的可重构架构进行了实现，选取结构存在差异且实际应用价值较高的ZUC、Grain v1、ChaCha20算法，设计了三个算法在可重构架构上的映射方案，并完成RTL代码编写，利用ModelSim仿真验证无误后，通过逻辑综合的结果完成了对三个典型流密码算法在此架构上实现的性能指标的评估。 在TSMC55nm工艺下，本文所设计的可重构架构的时钟频率可达到1000MHz，面积为979kGE，相比于目前其它支持流密码算法的可重构密码处理器，操作粒度较大的流密码算法在本文所设计的可重构架构上的实现性能和面积效率均有显著提高，如ZUC算法吞吐率提高了2.5~10倍。虽然操作粒度较小的流密码算法的实现性能相对较低，但是这三种结构存在差异的流密码算法在该可重构架构上均可得到支持，也表明了该架构的灵活性比较高。
数据加密;流密码算法;可重构架构;结构设计
哈尔滨理工大学
硕士
计算机技术
赵石磊
2022
中文
TP309.7
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）