GF（2m）域上快速模乘处理结构的研究与设计

加速GF(2m)上的模乘运算是提高GF(2^m)上ECC算法性能的关键。在分析EC上点乘操作的基础上，我们构造了模乘运算在线性Systolic上实现的局部并行处理递推形式，并设计了Systolic阵列的具体单元结构和连接，给出了性能分析和模拟结果。实验证明，局部并行阵列结构能适应多种EC上的模乘处理。     

传输触发体系结构指导下的ECC整体算法处理器设计

以传输触发体系结构(TTA)为基础,为支持大数运算扩展寄存器堆,并增加模乘单元以加速模乘操作,提出一种ECC整体算法处理器.该处理器具有如下特点: ①利用TTA工具链可快速开发出ECC公钥系统;②模乘单元将以基数为处理字长的高基数Montgomery算法与行共享流水结构相结合,具有良好的可扩展性;③流水站实现矢量乘操作,并同时支持GF(p)和GF(2n)双有限域;④通过调整总线宽度和流水站个数,可满足不同性能/面积要求.在0.18μm CMOS工艺下,其高性能和紧缩面积版本的电路等效门数分别为117.4×103和40.6×103,可分别在0.87ms和7.83ms内完成一次GF(p)或GF(2n)上的192位EC标量乘运算.     

可编程可伸缩的双域模乘加器研究与设计

模乘和模加减作为椭圆曲线公钥体制的核心运算,在ECC算法实现过程中使用频率极高。如何高效率、低成本地实现模乘模加减是当前的一个研究热点。针对FIOS类型Montgomery模乘算法和模加减算法展开研究,结合可重构设计技术,并对算法进行流水线切割,设计实现了一种能够同时支持GF(p)和GF(2n)两种有限域运算、长度可伸缩的模乘加器。最后对设计的模乘加器用Verilog HDL进行描述,采用综合工具在CMOS 0.18μm typical工艺库下综合。实验结果表明,该模乘加器的最大时钟频率为230 MHz,不仅在运算速度和电路面积上具有一定优势,而且可以灵活地实现运算长度伸缩。     

TTA-EC:一种基于传输触发体系结构的ECC整体算法处理器

以传输触发体系结构(TTA)为基础,为支持大数运算扩展寄存器堆,增加模乘单元以加速模乘操作,提出一种ECC整体算法处理器TTA-EC.该处理器具有如下特点:(1)利用TTA工具链,可快速开发出基于TTA-EC的完整ECC公钥系统;(2)模乘单元将以基数为处理字长的高基数Montgomery算法与行共享流水结构相结合,具有良好的可扩展性;(3)流水单元实现矢量乘操作,并同时支持GF(p)和GF(2n)双有限域;(4)通过调整总线宽度和流水单元个数,可满足不同性能/面积约束.在0.18μm 1P6M CMOS工艺下,其高性能和紧缩面积版本的规模分别为117.4K和40.6K,可分别在0.87ms和7.83ms内完成一次GF(p)或GF(2n)上的192位EC标量乘运算,峰值功耗分别为242.1mW和28.5mW.     

GF(2~m)上椭圆曲线密码体制的硬件实现

特征为2的有限域GF(2m)较适合椭圆曲线密码算法的硬件实现。该文通过对GF(2m)上模运算的分析,将所有的模运算转化成模乘和模加,并对LSD乘法器的进行了改进,所设计的运算单元能进行GF(2m)上所有的模运算,利用该运算单元所实现的椭圆曲线密码算法具有面积小,速度快的优点,适合用于处理能力和存储空间受限的设备中。     

椭圆曲线密码VLSI实现的定时攻击与防护

针对一种基于特征GF(2m)域的椭圆曲线密码(ECC)VLSI实现进行定时攻击分析,结果表明采用DA(Double Add)算法的ECC实现,可能泄漏密钥的汉明重量和其他电路秘密信息.在此基础上,利用统计分析提出一种引入随机延时来掩蔽时间特征的防护方法.攻击试验结果表明,该方法能够以4个有限域模乘运算模块的代价有效地增强ECC实现的抗定时攻击性.     

基于Kogge-Stone加法器改进的双域模乘器

模乘作为椭圆曲线公钥密码算法的核心运算,调用频率最高,提高其运算速度对于提高椭圆曲线密码处理器的性能具有重要意义。基于Kogge-Stone加法结构,结合可重构技术,实现一种能够同时支持素数域GF(p)和二元域GF(2~m)上模乘运算的双域模乘器,并对模块进行合理复用,节省硬件资源。用Verilog VHDL语言对该模乘器进行RTL级描述,并采用0.18μm CMOS工艺标准单元库进行逻辑综合。实验结果表明,该双域模乘器的最大时钟频率为476 MHz,占用硬件资源66 518 gates,实现256位的模乘运算仅需0.27μs。     

GF(2~m)域上ECC通用加速器设计与实现

分析了GF(2m)域上基于多项式基(PB)的椭圆曲线的运算法则,针对不同不可约多项式广泛应用的现状,提出了GF(2m)(160≤m≤400)上通用加速器设计方案并对其进行了快速实现.采用双端口RAM实现与微控制器(MCu)的挂接,在频率为71.3MHz的时钟下,加速器在MCU控制下完成GF(2160)、GF(2256)、GF(2400)域上标量乘速度分别为323次/秒、181次/秒、89次/秒.     

基于VLIW的并行可配置ECC协处理器结构研究与设计

采用专用指令密码处理器的设计方法,提出了一种基于超长指令字(VLIW)的并行可配置椭圆曲线密码(ECC)协处理器结构.该协处理器结构对点加、倍点并行调度算法进行了映射,功能单元微结构采用了可重构的设计思想.整个ECC协处理器具有高度灵活性与较高运算速度的特点.能支持域宽可伸缩的GF(P)与GF(2m)有限域上的可变参数Weierstrass曲线.实验结果表明,GF(p)域上192 bit的ECC点乘运算只需要0.32ms,比其它同类芯片运算速度提高了1.1～3.5倍.     

基于FIOS类型的Montgomery双域模乘器设计

针对FIOS类型的Montgomery模乘扩展算法的比特级-字级和字级-字级的两种实现形式进行研究,设计多处理单元的流水线组织结构实现算法,并对模乘器进行双有限域统一结构设计,使之能够同时支持两个有限域GF(p)和GF(2n)上的运算。最后对设计的两种模乘器用Verilog硬件描述语言进行代码描述,采用Synopsys公司的Design Compiler在Artisan SIMC 0.18μm typical工艺库下综合。实验结果表明,该模乘器不仅在运算速度和电路面积方面各具有优势,而且具有运算长度可变的灵活性。     

高并行可配置的GF(p)域ECC处理器

提出一种基于传输触发架构的可配置高并行性素域椭圆曲线密码处理器。该处理器用于快速实现点乘运算,通过配置特殊的功能单元、总线以及寄存器文件堆,可针对不同安全需求进行扩展。超长指令字的指令格式使处理器具有高并行性。设计的特殊功能单元 MMAU加速了模乘运算的实现。仿真结果表明,在0.18 μm CMOS工艺下,处理器所占面积为83 Kgates,能工作在最大120 MHz时钟频率下,可以在0.425 μs和2 ms内完成一次192 bit的模乘和点乘运算。     

GF(2m)上椭圆曲线密码协处理器的硬件实现

给出了一款GF(2m)上椭圆曲线密码协处理器的描述。对于椭圆曲线密码学中最关键的模乘运算采用蒙格玛利模乘算法，并且对这种算法进行改进，得到一种通用性较强的算法。对于硬件实现中遇到的判断寄存器是否为零，给出了一种快速方法。该协处理器共分为6部分，分别为：主控制单元，椭圆曲线点乘单元，椭圆曲线点加单元，椭圆曲线点倍单元，有限域加法单元，蒙格玛利模乘算法单元。     

GF(2m)域上快速模乘处理局部并行结构

在分析EC上点乘操作的基础上,构造了MSB方式下局部并行线性systolic结构的模乘递推形式,设计了具体的单元结构,给出了性能分析和模拟比较结果。实验证明MSB方式下局部并行、域多项式可变的阵列结构能适应多种EC上模乘,实现灵活、高速的模乘处理,而局部并行、固定域多项式结构能在较优的硬件代价下高效实现特定EC上模乘,有效提高GF(2m)上ECC算法的性能。     

可重构双基双域模乘器设计与实现

选择素数域和二进制域上基于字的Montgomery模乘算法,分析传统双域模乘器在二进制域上运算效率不高的问题,首先选择能够使两个域上模乘器延迟时间相当的字长,并对模乘器进行双域的可重构设计,使之能够同时支持素数域和二进制域上的运算。相较以往设计,采用双域双基设计的模乘器使时钟周期数平均缩短了48%。     

Design of Montgomery Multiplication Architecture Based on Programmable Cellular Automata

This study presents a Montgomery multiplication architecture that uses an irreducible all one polynomial (AOP) in GF(2 ^m ) based on a programmable cellular automata (PCA). The proposed architecture has the advantage of high regularity and a reduced latency based on combining the characteristics of the irreducible AOP and PCA. The proposed architecture can be used to implement modular exponentiation, division, and inversion architectures.     

Low-Complexity Bit-Parallel Multiplier over GF(2$^m$) Using Dual Basis Representation

Recently, cryptographic applications based on finite fields have attracted much attention. The most demanding finite field arithmetic operation is multiplication. This investigation proposes a new multiplication algorithm over GF（2^m） using the dual basis representation. Based on the proposed algorithm, a parallel-in parallel-out systolic multiplier is presented, The architecture is optimized in order to minimize the silicon covered area （transistor count）. The experimental results reveal that the proposed bit-parallel multiplier saves about 65% space complexity and 33% time complexity as compared to the traditional multipliers for a general polynomial and dual basis of GF（2^m）.     

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。     

一种基于复合域的ECC的快速乘法器

基于有限域上椭圆曲线公开密匙协议的离散对数计算算法正日益成为热点,而有限域上的计算尤其是乘法计算极大地影响其加/解密速度。基于ECC中有限域乘法的重要性,该文给出了一种复合域GF((2m1)m2)上的快速乘法器。该乘法器采用并行计算和串行计算相结合的原则,增加少量硬件规模将一次有限域乘法的计算速度由原来的m=m2m1个时钟周期降低到m2个时钟周期,从而极大地提高了乘法器的计算速度。     

无移位操作的快速comb乘法算法

有限域GF(2n)上乘法运算是影响GF(2n)上椭圆曲线密码实现效率的关键运算之一.基于窗口技术的comb乘法算法,被认为是目前有限域GF(2n)上乘法运算最快的算法之一.但是,它仍然使用了移位操作,而移位操作恰好又是域GF(2n)乘法运算中很耗时的操作.提出并实现了一种新的基于窗口技术的快速comb乘法算法,该算法避免了移位操作,且不增加异或运算次数.理论分析和实验结果表明,新算法有很好的实现效率,适合于有限域GF(2n)上椭圆曲线密码算法的软件实现.