三大密码体制:对称密码、公钥密码和量子密码的理论与技术

随着信息技术的飞速发展，信息安全与通信保密日益重要与突出，密码技术是信息安全技术的核心。文中概括介绍了国内外三大密码体制(对称密码、公钥密码和量子密码)的理论与技术及其现状，分析了它们的发展趋势，重点探讨了分组密码的主要设计技术和量子密钥的产生与分发，最后对三大体制进行了比较。     

面向密码算法的异步可重构结构设计

针对FPGA和ASIC在实现密码算法时的不足之处，本文介绍了一种面向密码算法的异步可重构结构。该结构的运算功能由一个可重构单元阵列提供，数据通路由可重构单元之间的相互连接实现，异步通信采用握手信号完成。在分析握手信号传输延时对可重构结构的影响后，文章提出了一种适合该结构的单元信号传输握手控制电路。同时在单元结构中，使用改进的DSDCVS逻辑来设计其运算电路，减小了单元的面积，提高了单元的工作速度。应用实例表明，在实现密码算法时，面向密码算法的异步可重构结构表现出了比FPGA更好的性能。     

面向分组密码的可重构异构多核并行处理架构

现有的可重构分组密码实现结构中,专用指令处理器吞吐率不高,阵列结构资源利用率低、算法映射过程复杂.为此,设计了分组密码可重构异构多核并行处理架构RAMCA（Reconfigurable Asymmetrical Multi-Core Architecture）,分析了典型SP（AES-128）、Feistel（SMS4）、L-M（IDEA）及MISTY（KASUMI）结构算法在RAMCA上的映射过程.在65nm CMOS工艺下完成了逻辑综合和功能仿真.实验表明,RAMCA工作频率可达到1GHz,面积约为1.13mm²,消除工艺影响后,对各分组密码算法的运算速度均高于现有专用指令处理器以及Celator、RCPA和BCORE等阵列结构密码处理系统.     

AES和SMS4密码算法的高效可重构实现

可重构密码芯片提高了密码芯片的安全性和灵活性,具有良好的应用前景,但其处理速度较ASIC实现的专用密码芯片却有很大程度的下降。在此分析AES和SMS4密码算法的可重构性,利用流水线、并行处理和可重构技术,提出了一种可重构体系结构。基于该体系结构实现的AES和SMS4算法较其他同类设计相比,在资源规模相当的情况下,处理速度有了较大的提高。     

一种可重构体系结构用于高速实现DES、3DES和AES

可重构密码芯片提高了密码芯片的安全性和灵活性,具有良好的应用前景.然而目前的可重构密码芯片吞吐率均大大低于专用芯片,因此,如何提高处理速度是可重构密码芯片设计的关键问题.本文分析了常用对称密码算法DES、3DES和AES的可重构性,利用流水线、并行处理和可重构技术,提出了一种可重构体系结构.基于该体系结构实现的DES、3DES和AES吞吐率在110MHz工作频率下分别可达到7Gbps、2.3Gbps和1.4Gbps.与其他同类设计相比,本文设计在处理速度上有较大优势,可以很好地应用到可重构密码芯片设计中.     

面向DSP应用的可重构计算

DSP应用的特点是计算密集并适合并行处理,传统的可编程处理器与ASIC在性能和灵活性上各有优劣.因此出现了一种新的计算模式-可重构计算.由于它能将效率和灵活性很好地结合在一起,故正得到广泛的关注和研究.本文在介绍可重构计算的概念和分类的基础上,着重讨论了一些主流的可重构计算系统,分析了各类系统应用于DSP的特点,对可重构计算在计算模型,编译器,映射技术以及开发环境等方面的现状和趋势进行了探讨,并给出了自己的思考.     

演化密码与DES密码的演化设计

本文提出演化密码的概念和用演化计算设计密码的方法。演化密码在理论和应用中都有重要意义。本文对DES的核心部件S盒进行了实际演化，得到一种用演化计算设计S盒的方法，并获得了一批安全性能优异的S盒。用演化方法设计出一族安全性能渐强的S盒或其他部件，分别以这些S盒或其他部件构造DES，就可使DES密码体制本身进行演化，而且安全性能愈来愈强。     

面向扩频通信的可重构阵列电路研究

传统的可重构电路主要由细粒度数据处理单元组成,但是其实现的运算功能单一,且布线复杂,限制了可重构SoC电路的通用性和灵活性.针对以上问题,根据通信领域基带信号处理的运算特点,设计了一种新型可重构阵列电路,可作为运算模块嵌入可重构SoC,此阵列由粗粒度数据处理单元构成的细胞互联组成.针对基带信号数据位宽多样的特点,细胞可重构实现多种算子.通过在阵列中每个细胞内部都嵌入独立配置存储器,采用并行数据配置电路的方式,以降低阵列的重构时间开销,实现整个阵列的快速重构.以伪码捕获为例,对设计的电路进行仿真.结果显示,设计的结构布线方法简单、通用性及灵活性强.     

可重构计算及可重构编译技术研究

可重构计算是未来高性能计算的发展趋势,它兼具了通用计算的灵活性和专用计算的高效性,充分利用系统资源的同时,又能发挥应用程序的效率。可重构编译是推广可重构计算的关键技术,可重构编译系统能够为传统的软件编程人员提供一个体系结构透明的开发平台,并让用户真正灵活利用可重构计算平台。     

面向密码流体系结构的超长指令字可重构研究

可重构密码流体系结构是一种面向密码运算的新型体系结构,但存在着超长指令字(VLIW)代码稀疏和Kernel体积过大的问题。该文以可重构密码流处理架构S-RCCPA为研究平台,通过大量密码算法在S-RCCPA架构上的适配分析,提出了VLIW可重构技术,并设计了Kernel级指令集、VLIW可重构算法及指令可重构单元。实验证明,该技术能够有效提高VLIW的指令密度,同时降低了VLIW的指令宽度,使得整个Kernel体积减小了约33.3%,并将微码存储器的容量由96 kB降为64 kB,有效降低芯片整体面积和系统功耗。     

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.     

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。     

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。     

Domain Specific Reconfigurable Processing Core Architecture for Digital Filtering Applications

This paper presents a reconfigurable processing core architecture targeted for digital filtering applications. The architecture can be configured to execute linear phase FIR filter, DLMS adaptive FIR filter, (I)FFT, and 2D-(I)DCT with high performance and low energy consumption by reducing heavy routing resources used extensively in other reconfigurable architectures. The pipeline depth of the multipliers in the processing core is locally controlled so that power consumption is reduced by minimizing unnecessary register switching is saved. We have shown that the proposed processing core consumes less energy and has better or comparable performance than that of the existing reconfigurable architectures proposed in academia and industry, that have been tailored for these applications. The circuit is designed in 0.35-m CMOS processing technology with 3.3 V supply voltage.Sangjin Hong received the B.S. and M.S. degrees in EECS from the University of California, Berkeley and his Ph.D in EECS from the University of Michigan, Ann Arbor. He is currently with the department of Electrical and Computer Engineering at Stony Brook University - State University of New York. Before joining SUNY, he has worked at Ford Aerospace Corp. Computer Systems Division as a systems engineer. He also worked at Samsung Electronics in Korea as a technical consultant. His current research interests are in the areas of low power reconfigurable SoC design and optimization for DSP and wireless communication systems. He has served as a member of technical committee and track chair for numerous IEEE technical conferences.Shu-Shin Chin was born in Kaohsiung, Taiwan, ROC, in 1974. He received his M.S. and Ph.D degrees in electrical and computer engineering from Stony Brook University—State University of New Yorkin 1999 and 2004, respectively. His research interests include low-power digital circuits, and coarse-grained reconfigurable architectures for high-performance DSP systems.     

一种流水线ADC数字域动态可重构架构

分析流水线ADC数字域校准算法工作原理及实现电路的具体特点.为解决数字校准算法系数实时更新的问题,在PipeRench结构的基础上结合多重上下文动态可重构方式,提出了一种针对流水线ADC数字域的动态可重构电路.对该架构中的关键电路模块进行了设计并对整个电路架构进行了仿真,结果表明该架构可以实现流水线ADC数字域的动态重构.     

可重构结构设计空间快速搜索方法

在可重构结构评估模型的基础上,研究了在算法级估计可重构结构的面积、性能和功耗的方法。根据面积、性能和功耗,分两步搜索可重构结构的设计空间。首先,搜索结构域中每个结构实现所有算法时的最小代价,其次,在结构设计空间中搜索最优结构。该方法不依赖任何具体的架构,全面评价可重构结构的优劣,能快速获得全局最优的搜索结果。应用实例表明,在可重构结构设计初期,该方法能有效地指导可重构结构的设计。     

动态可重构高速缓存结构的研究与设计

提出了一种动态可重构高速缓存结构,提升了系统性能;同时,大大降低了功耗。该结构在传统高速缓存上作少量的硬件改动,实现了高速缓存容量、块大小和关联度的动态可配置性。实验结果表明,相对于传统结构,动态可重构高速缓冲存储器在不损失性能的前提下,取得了很好的降低系统功耗的效果。