域椭圆曲线点乘的VLSI实现方法研究

为了实现椭圆曲线密码算法的高效性,提出了基于优化的底层有限域算法的点乘设计方法;基于对二进制有限域运算的研究,提出并行模乘算法和基于欧几里得算法的右移求逆算法,并在实现中进行优化,在此基础上采用蒙哥马利算法实现点乘的快速运算;根据该算法,提出了ECC硬件电路实现方法,并用Verilog RTL进行逻辑设计,最终在Xilinx的XC7A100T FPGA硬件平台上验证实现;通过仿真测试、综合验证和时序后仿真的结果分析,所设计电路的时钟频率可以达到110 MHz,运算速度可达2.92 ms,证明了设计的有效性和可行性。     

二进制域运算在DSP上的优化

主要研究二进制域运算在DSP上的实现。通过设置多个中间变量，实现了对数组的并行计算，将最佳正规基模乘算法提高到6级流水。重构almost inversion多项式基模逆算法结构，消除跳转语句，实现程序设计模块化。在TMS320C6204上执行113位和191位算法证实确实提高了模乘和模逆两种运算的速度。以循环移位取代乘法的模乘算法，限制了C6201的流水深度。     

基于FPGA的Fm2域椭圆曲线点乘的快速实现

椭圆曲线点乘的实现速度决定了椭圆曲线密码算法（ECC）的实现速度。采用蒙哥马利点乘算法,其中模乘运算、模平方运算采用全并行算法,模逆运算采用费马·小定理并在实现中进行了优化,完成了椭圆曲线点乘的快速运算。采用Xilinx公司的Virtex-5器件族的XCV220T作为目标器件,完成了综合与实现。通过时序后仿真,其时钟频率可以达到40MHz,实现一次点乘运算仅需要14.9μs。     

基为4的可扩展模乘运算器设计

基于基为4的Montgomery模乘算法和改进的流水线组织结构,文章提出了一种结构优化的可扩展模乘运算器结构。设计中采用了按字运算的模乘算法,使本设计具有很好的可扩展性,它可以完成任意位数的模乘运算。同时,因为模乘运算器的运算数据通路采用多级处理单元的流水线结构,所以设计时可以很方便进行配置,以达到模乘运算器硬件成本和运算性能的折衷。分析结果显示,文章提出的模乘运算器结构具有很高的效率和很好的可扩展性。     

基于FPGA的Fm2域椭圆曲线点乘的快速实现

椭圆曲线点乘的实现速度决定了椭圆曲线密码算法(ECC)的实现速度.采用蒙哥马利点乘算法,其中模乘运算、模平方运算采用全并行算法,模逆运算采用费马·小定理并在实现中进行了优化,完成了椭圆曲线点乘的快速运算.采用Xilinx公司的Viaex-5器件族的XCV220T作为目标器件,完成了综合与实现.通过时序后仿真,其时钟频率可以达到40 MHz,实现一次点乘运算仅需要14.9μs.     

高速可重构高资源利用率统一模单元设计与研究

总结归纳了有限域层模乘、模加减、模除运算在算法级和硬件结构级的特点及兼容性。通过对大量主流有限域算法的对比、算法优化、流水加速设计及结构兼容扩展,提出了一种提升模运算结构兼容的模乘优化算法:改进的radix-4交错模乘算法。该算法关键路径短、结构简单,在兼容设计方面有优势,并能实现全流水加速运算,运算效率高,达到高速可重构的设计目的。不同于传统的结构,本文在此模乘基础上直接适配plus-minus模除和模加减,有效解决了资源浪费的问题。该统一模单元在65 nm CMOS工艺下进行综合,面积为0.22 mm~2,时钟频率为526 MHz。完成一次576 bit的模乘、模除运算分别用时0.55μs和2.98μs。     

SM2算法模逆加速器的设计

SM2公钥密码在智能卡领域有广泛的应用,其运算中难以避免模逆运算,而模逆算法因为其具有幂指数级别的运算复杂度,成为制约SM2算法性能的一个重要瓶颈。以SM2算法公钥引擎为基础,巧妙地利用了已有的蒙哥马利乘法器结构,设计出了一种长度可伸缩的快速模逆算法。并复用已有模乘资源,给出了节省存储空间、不增加面积成本的硬件实现结构以及数据存储方案。其速度性能远远优于传统的费马小定理算法和扩展欧几里德算法,对比同类蒙哥马利模逆算法也有良好的性能。     

GF(2233)域上正规基模乘算法的FPGA实现研究

已有的对正规基模乘算法的研究大多针对较小的有限域，不利于将其直接扩展到像GF（2^233）等大有限域中进行FPGA设计实现。为在FPGA上实现正规基下的模乘算法，给出了一种在速度和资源两方面可以折衷的方案以及具体的FPGA实现算法，并实现了硬件描述语言程序设计。在Xilinx的FPGA器件的基础上，完成算法的仿真、综合、布局布线试验。试验表明，实现的模乘算法方案较其它方案更适合于FPGA编程实现。     

一种新型操作数长度可伸缩的模乘器VLSI设计

在改进基于字的Montgomery模乘算法的基础上，通过优化流水线结构缩短关键路径，实现了一种结构优化的模乘器。设计中采用了按字运算的高基Montgomery模乘算法，使该设计具有良好的可扩展性，可以完成任意位数的模乘运算。改进了模乘器的流水线结构，提高了模乘器的工作效率。该设计可以应用于各种高性能且低成本的RSA密码协处理器设计。     

基于FPGA的Montgomery模乘器的高效实现*

为了提高椭圆曲线密码处理器的模乘速度,本文提出了一种更有效且更适合硬件实现的Montgomery算法。改进的算法分析了基于CSA加法器的Montgomery模乘算法,提出了多步CSA加法器的Montgomery算法,该算法能够在一个时钟内做多次CSA迭代运算,可以有效地降低时钟个数,进而提高模乘速度。通过Modelsim仿真工具仿真,正确完成一次256bits Montgomery模乘运算只需要16个时钟周期。在Altera EP3SL200F1517C2 FPGA中的运行结果表明：71.5MHz的时钟频率下,完成一次256位的模乘运算仅需要0.22微秒。     

基于FPGA椭圆曲线密码体制的研究*

对基于FPGA椭圆曲线密码体制的实现进行全面研究,在Xilinx的FPGA上实现了二元有限域和椭圆曲线点运算的所有算法。将模乘算法、模逆算法、曲线点加算法、曲线点减算法、点乘算法、ECElgamal加密/解密方案、总线命令控制等在FPGA上完成仿真、综合和板级验证,并设计出具有PCI局部总线传输功能的加密/解密适配卡。研究中提出了新的基于正规基和正则基的比特串行模乘算法实现方案。     

基于FPGA椭圆曲线密码体制的研究

对基于FPGA椭圆曲线密码体制的实现进行全面研究，在Xilinx的FPGA上实现了二元有限域和椭圆曲线点运算的所有算法。将模乘算法、模逆算法、曲线点加算法、曲线点减算法、点乘算法、EC-Elgamal加密／解密方案、总线命令控制等在FPGA上完成仿真、综合和板级验证，并设计出具有PCI局部总线传输功能的加密／解密适配卡。研究中提出了新的基于正规基和正则基的比特串行模乘算法实现方案。     

模幂与点乘m_ary算法中窗口大小的最优化估计*

提出一种新大数模幂与点乘m_ary算法中窗口大小的最优化估计方法。该方法不同于传统的暴力搜寻方法,也不同于在窗口的取值范围内通过逐一测试程序来获得最优窗口大小的方法。其基于以下理论分析：模幂 m_ary算法的基本运算为大数乘法,其中包括大数平方算法和一般大数乘法;椭圆曲线加密算法中点乘的m_ary算法步骤与模幂的m_ary算法相同,后者的基本运算为倍乘和加法。根据m_ary算法的基本运算的调用次数,推算出了最优窗口大小的估计公式。通过实验对m_ary算法进行实现,并测试分析了根据估计公式计算出窗口大小的算     

一种椭圆曲线算法核心运算VLSI实现

根据P元域中的椭圆曲线签名算法，时点乘和模乘计算，提出了一种新的控制流程和结构。并在此基础上进行了VLSI实现。经过时该设计的ASIC综合和仿真，并在FPCA上验证通过，与其他设计相比，具有计算速度快，芯片成本低的优点。     

面向RFID应用的GF(2~m)域上ECC点乘运算的轻量化改进研究

针对RFID等资源受限的特殊应用,选取安全性能较高的椭圆曲线算法进行轻量化改进研究,对其核心部分点乘运算中的模乘、模逆算法进行了改进,采用整体串行、部分并行的方式对算法执行结构进行了重新设计。经在FPGA上仿真验证,对比其他方案,改进后的算法在芯片占用面积和执行速度上有明显的综合优势,适用于RFID等资源受限的应用场合。     

基于IMPULSE C的GF(P)域椭圆加密算法的硬件加速

研究了大素数域上的椭圆曲线加密算法,基于IMPULSE C语言,对该算法进行编程实现;在标准射影坐标系下,对点加和倍加算法进行并行化改进,并且在编程时利用编译器特性做了进一步的并行化。通过对加密算法合理的软硬件分割,将计算量大而且复杂的点乘运算作为硬件部分,通过现场可编程门陈列(FPGA)进行硬件加速;将加密协议的其他部分作为软件部分,在传统CPU上执行,并将硬件部分生成VHDL代码。分别进行加密算法的CoDeveloper的桌面仿真和生成的硬件VHDL代码的ISE综合仿真。最后将该加速设计在Xilinx Virtex-5 xc5vfx70t FPGA开发板上作了实现,基于FPGA的实验结果表明,P-192上点乘运算处理在133MHz时钟下用时2.9 ms,硬件资源分配合理,与现有的手工编写的HDL代码相比,具有并行加速优势。     

Applying systolic multiplication–inversion architectures based on modified extended Euclidean algorithm for GF(2) in elliptic curve cryptography

Elliptic curve cryptography is a very promising cryptographic method offering the same security level as traditional public key cryptosystems (RSA, El Gamal) but with considerably smaller key lengths. However, the computational complexity and hardware resources of an elliptic curve cryptosystem are very high and depend on the efficient design of EC point operations and especially point multiplication. Those operations, using the elliptic curve group law, can be analyzed in operations of the underlined GF(2^k) Field. Three basic GF(2^k) Field operations exist, addition–subtraction, multiplication and inversion–division. In this paper, we propose an optimized inversion algorithm that can be applied very well in hardware avoiding well known inversion problems. Additionally, we propose a modified version of this algorithm that apart from inversion can perform multiplication using the architectural structure of inversion. We design two architectures that use those algorithms, a two-dimensional multiplication/inversion systolic architecture and an one-dimensional multiplication/inversion systolic architecture. Based on either one of those proposed architectures a GF(2^k) arithmetic unit is also designed and used in a EC arithmetic unit that can perform all EC point operations required for EC cryptography. The EC arithmetic unit’s design methodology is proposed and analyzed and the effects of utilizing the one or two-dimensional multiplication/inversion systolic architecture are considered. The performance of the system in all its design steps is analyzed and comparisons are made with other known designs. We manage to design a GF(2^k) arithmetic unit that has the space and time complexity of an inverter but can perform all GF(2^k) operations and we show that this architecture can apply very well to an EC arithmetic unit required in elliptic curve cryptography.