基于流体系结构的高效能分组密码处理器研究

针对现有密码处理器存在的问题,借鉴流处理器架构,提出了高效能的可重构分组密码流处理器架构.该架构采用层次化设计思想,通过分块式本地寄存器组的数据组织方式和共享拼接使用运算单元机制,实现了软件流水和硬件流水的协同工作,能够挖掘分组内和分组间的指令级并行性并提高功能单元的利用率.在65nm CMOS工艺下对架构进行了综合仿真,并经过了大量算法映射.实验结果证明,该架构在CBC和ECB加密模式下均具有良好的加密性能.与其他密码处理器相比,该架构具有小面积、高效能的特点.     

一种面向序列密码的混合粒度并行运算单元

针对可重构密码处理器对于不同域上的序列密码算法兼容性差、实现性能低的问题,该文分析了序列密码算法的多级并行性并提出了一种反馈移位寄存器(FSR)的预抽取更新模型。进而基于该模型设计了面向密码阵列架构的可重构反馈移位寄存器运算单元(RFAU),兼容不同有限域上序列密码算法的同时,采取并行抽取和流水处理策略开发了序列密码算法的反馈移位寄存器级并行性,从而有效提升了粗粒度可重构阵列(CGRA)平台上序列密码算法的处理性能。实验结果表明与其他可重构处理器相比,对于有限域(GF)(2)上的序列密码算法,RFAU带来的性能提升为23%～186%;对于GF(2u)域上的序列密码算法,性能提升达约66%～79%,且面积效率提升约64%～91%。     

一种基于流处理框架的可重构分簇式分组密码处理结构模型

可重构密码处理结构是一种面向信息安全处理的新型体系结构,但具有吞吐量和利用率不足的问题。该文提出一种基于流处理框架的阵列结构可重构分组密码处理模型(Stream based Reconfigurable Clustered block Cipher Processing Array, S-RCCPA)。针对分组密码算法特点,采用粗粒度可重构功能单元、基于Crossbar的分级互连网络、分布式密钥池存储结构以及静态与动态相结合的重构方式,支持密码处理路径的动态重组,以不同并行度的虚拟流水线执行密码任务。对典型分组密码算法的适配结果表明,在 CMOS工艺下,依据所适配算法结构的不同,规模为41的S-RCCPA模型的典型分组密码处理性能可达其它架构的5.28~47.84倍。     

一种密码专用可编程逻辑阵列的分组密码能效模型及其映射算法

密码专用可编程逻辑阵列(CSPLA)是一种数据流驱动的密码处理结构,该文针对不同规模的阵列结构和密码算法映射实现能效关系的问题,首先以CSPLA的特定硬件结构为基础,以分组密码的高能效实现为切入点,建立基于该结构的分组密码算法映射能效模型并分析影响能效的相关因素,然后进一步根据阵列结构上算法映射的基本过程提出映射算法,最后选取几种典型的分组密码算法分别在不同规模的阵列进行映射实验.结果表明越大的规模并不一定能够带来越高的能效,为取得映射的最佳能效,阵列的规模参数应当与具体的硬件资源限制和密码算法运算需求相匹配,CSPLA规模为4×4～4×6时映射取得最优能效,AES算法最优能效为33.68 Mbps/mW,对比其它密码处理结构,CSPLA具有较优的能效特性.     

可重构分组密码处理结构的研究与设计

文章分析了主要分组密码算法操作特征以及处理结构的特点,结合可重构处理结构的设计方法,提出一种可重构密码处理结构.设计实现了基于可重构密码处理结构的验证原型.分析结果表明,在验证原型上执行的分组密码算法都可达到较高的性能.     

一种密码专用可编程逻辑阵列的分组密码能效模型及其映射算法

密码专用可编程逻辑阵列(CSPLA)是一种数据流驱动的密码处理结构，该文针对不同规模的阵列结构和密码算法映射实现能效关系的问题，首先以CSPLA的特定硬件结构为基础，以分组密码的高能效实现为切入点，建立基于该结构的分组密码算法映射能效模型并分析影响能效的相关因素，然后进一步根据阵列结构上算法映射的基本过程提出映射算法，最后选取几种典型的分组密码算法分别在不同规模的阵列进行映射实验。结果表明越大的规模并不一定能够带来越高的能效，为取得映射的最佳能效，阵列的规模参数应当与具体的硬件资源限制和密码算法运算需求相匹配，CSPLA规模为4×4～4×6时映射取得最优能效，AES算法最优能效为33.68 Mbps/mW，对比其它密码处理结构，CSPLA具有较优的能效特性。     

基于动态策略的S盒设计研究

分组密码作为信息安全应用的主流加密方法,在无线传感器网络中也得到了广泛应用。而S盒作为分组密码算法的核心模块之一,其设计好坏直接影响着整个密码算法。为了在有限的资源下,提高分组密码算法的安全强度,对分组密码算法以及S盒构造设计进行了深入的分析研究,结合Feistel架构和S盒重构的思想,提出了动态S盒的设计方案,并对其进行了相关分析验证。结果表明,经过该设计,安全性能确实有所提高。     

众核构造高性能密码算法协处理器

通过分析Feistel结构和SP网络结构的分组密码算法的特点与实现结构,说明了分组算法适合可重构实现的机理,提出了以众核方式构造高性能密码算法协处理器的架构思想,在适当降低单核处理性能的情况下,因为能最大化利用芯片的电路容量,实践证明这种架构相比起单核、多核架构重构方式实现分组算法具有较为明显的整体性能优势,最后,也指出了众核带来的编程复杂、资源分配困难等问题和众核架构的核数与整体性能的压线性关系等注意事项.     

分组密码处理器的可重构分簇式架构

该文在研究分组密码算法处理特征的基础上,提出了可重构分簇式分组密码处理器架构。在指令的控制下,数据通路可动态地重构为4个32bit簇,2个64bit簇和一个128bit簇,满足了分组密码算法数据处理所需的灵活性。基于分簇结构,提出了由指令显性地分隔电路结构的低功耗优化技术,采用此技术使得整体功耗降低了36.1%。设计并实现了5级流水线以及运算单元内流水结构,处理AES/DES/IDEA算法的速度分别达到了689.6Mbit/s, 400Mbit/s和416.7Mbit/s。     

面向分组密码算法的程序设计语言研究

 本文提出了一种接近数学描述的面向分组密码算法的程序设计语言(Programming Language for the Block Cipher Algorithm,PLBCA).PLBCA能够以形式化方式方便地描述分组密码算法的结构.本文介绍了PLBCA的语法规范,以分组密码算法DES为例说明PLBCA应用方法,并借助ANTLR工具实现了PLBCA的解析器.利用PLBCA,密码学专家可以方便快捷地对密码算法进行算法正确性和安全性分析,以检验算法的设计.PLBCA有助于提高密码算法检验的效率,为密码算法的设计和自动检测分析提供了一种辅助工具.     

可重构分组密码逻辑阵列加权度量模型及高能效映射算法

针对基于粗粒度可重构阵列结构的分组密码算法映射情况复杂、难以实现统一度量的问题,该文采用多目标决策手段,以性能及功耗参数为决策目标,基于分组密码算法轮运算及粗粒度可重构阵列结构特征约束,提出了一种面向分组密码算法映射的加权度量模型.同时,采用主客观综合分析法,定义了模型权重参数的计算方式,从而通过配置合理的权重参数,以高能效映射算法实现差异化的映射.为了降低决策时间,该文进一步提出了基于二进制编码的枚举搜索算法,实现了最优映射结果搜索与映射矩阵建立的并行,使决策的时间复杂度降至O（2ⁿ）.实验结果表明,该文提出的加权度量模型能实现高效的分组密码算法映射方案决策,单位面积性能提升了约14.2%,能效提升了约一倍.     

基于多方向像素连续折叠机制与Radon变换的图像加密算法

提出了基于多方向像素连续折叠机制与Radon变换的图像加密算法,从不同的方向、利用不同的像素扩散技术来加密明文,显著消除密文周期性.首先,对初始明文完成均等分割,获取左、右两个子块;引入Radon变换机制,对左、右子块进行0°～180°的Radon变换,获取对应的Radon投影谱图像;利用Arnold映射、引力模型分别混淆左、右子块的Radon谱图像,获取两个子置乱密文,将二者进行组合,输出完整的置乱图像.为了从空间多个方向来扩散像素,设计了4个方向连续折叠机制,利用4个不同方向对应的扩散函数来改变像素值,实现图像加密.实验结果表明,与当前图像加密技术相比,所提算法具有更高的安全性与抗攻击能力,输出密文的像素分布更加均匀.     

可重构分组密码指令集处理器自动映射方法研究

计算资源与寄存器资源分配是可重构处理器自动并行映射的重要问题,该文针对可重构分组密码指令集处理器的资源分配问题,建立算子调度参数模型和处理器资源参数模型,研究了分组密码并行调度与资源消耗之间的约束关系;在此基础上提出基于贪婪思维、列表调度和线性扫描的自动映射算法,实现了分组密码在可重构分组密码指令集处理器上的自动映射。通过可用资源变化实验验证算法并行映射的有效性,并对AES-128算法的映射效果做了横向对比验证算法的先进性,所提自动映射算法对分组密码在可重构处理中的并行计算研究有一定的指导意义。     

基于连续块处理的改进LMS算法研究

在基于连续数据块处理的硬件系统中,若干块数据通过LMS迭代算法处理后得到多组权值矢量。若各组权矢量波动过大,系统性能将会急剧下降。针对此问题,本文提出了一种基于连续块处理的改进LMS算法,该方法首先利用LMS算法对一块数据进行迭代计算,得到此块数据对应的更新权矢量,将该权矢量乘以一个复系数使其向上一块数据对应计算所得的权矢量进行归一（幅度和相位上的归一）,然后将归一化处理后的权矢量作为下一块数据迭代计算的初值。经过上述处理后,权值收敛速度得到了提高,同时减小了数据块间更新权矢量的波动,进而减小系统其他相关参数的波动,提高硬件系统稳定性。最后仿真实验结果验证了本文算法的有效性和正确性。      

基于SM4轮函数设计的认证加密算法

认证加密算法,作为一种对称密码算法,能够同时保护数据的机密性和完整性,在信息安全领域有着重要作用.现有的认证加密算法大多是基于分组密码的工作模式设计的,底层需要调用全轮的分组密码,效率受到很大限制.本文主要考虑从基本部件出发直接设计一个高效的认证加密算法.首先结合国产分组密码标准SM4与广义Feistel结构给出了一种通用的结构设计.然后以抵抗碰撞攻击为安全性目标,利用混合整数规划（MILP）方法搜索得到了一些状态大小和效率各不相同的结构,这些结构可以被用来构造消息认证码和认证加密算法.最后,利用目前搜索得到的状态大小和效率较优的结构设计了一个认证加密算法,并进行了初步的安全性分析和软件实现,其速度约为SM4-GCM速度的10倍.     

Clustering compressed sensing based on image block similarities

Compressed sensing （CS） algorithm enables sampling rates significantly under classical Nyquist rate without sacrificing reconstructed image quality. It is known that, a great number of images have many similar areas which are composed by the same number of grayscale or color. A new CS scheme, namely clustering compressed sensing （CCS）, was proposed for image compression, and it introduces clustering algorithm onto framework of CS based on similarity of image blocks. Instead of processing the image as a whole, the image is firstly divided into small blocks, and then the clustering algorithm was proposed to cluster the similar image blocks. Afterwards, the optimal public image block in each category is selected as the representative for transmission. The discrete wavelet transform （DWT） and Gaussian random matrix are applied to each optimal public image block to obtain the random measurements. Different from equal measurements, the proposed scheme adaptively selects the number of measurements based on different sparsity of image blocks. In order to further improve the performance of the CCS algorithm, the unequal-CCS algorithm based on the characteristics of wavelet coefficients was proposed as well. The low frequency coefficients are retained to ensure the quality of reconstructed image, and the high frequency coefficients are compressed by the CCS algorithm. Experiments on images demonstrate good performances of the proposed approach.     

BMP图像加密算法研究

流密码与分组密码是基于位运算的图像加密算法中两种主要密码体制。着重研究了分组密码长度和密码多样性的不同选取对加密BMP彩色图像的影响。指出了在分组密码长度与BMP图像的长宽尺寸成倍数关系的情况下,BMP图像加密效果极其不理想的规律和现象,并对此进行了分析和研究。此外,对采用基于位运算方法加密BMP图像的抗噪声性能也进行了分析。