快速大数模乘算法及其应用

大数模幂乘是 RSA、El Gamal、DSA等公钥密码算法和数字签名算法的基本运算 ,而大数模乘运算是快速实现模幂乘的关键 .本文在分析比较现有快速模乘算法的基础上 ,提出了一个基于滑动窗口的快速模乘算法 .由分析可知 ,当模 N的长度为 5 12位时 ,本算法平均只需做 5 0 7次 n- bit加法便可实现 A× B mod N运算 .该算法便于软件与硬件实现     

一种新型的基于Montgomery的模幂器结构

大数模乘是许多公钥密码体制的核心运算，也是运算效率提高的瓶颈。基于Montgomery模乘算法，该文提出了一种改进的快速模乘及其模幂算法，由于采用了新的booth编码，算法的循环次数减少近一半，因此性能提高近一倍。模幂器采用新型的保留进位加法器(CSA)树，此结构无须对每次模乘的结果求和。实验表明，在97MHz时钟频率下，1 024-bit模幂器的波特率为184Kb/s，适合于设计高速的公钥密码协处理器。     

分割式Montgomery模乘运算的线性高基心动阵列新结构

本文基于提高并行性、加速模乘的思想，利用分割操作数的方法，提出了分割式Montgomery模乘算法（PMMM），并且基于C．D.Walter发明的心动阵列结构，提出了新的线性高基心动阵列模乘结构，较好地实现了PMMM。对于基r（r=2^w）的n位模乘运算，Walter使用（n＋1）（n＋2）个PF来实现Montgomery模乘，我们用n＋2个PE实现Montgomery模乘，最大并行性为Walter的2倍。将此结构应用于模幂运算，仅需一次预计算便可使得非平方模乘的输入输出延迟为walter中的1/2，且平方模乘延迟与其相当，从而提高了模幂的运算速度。当然，考虑到对速度和硬件资源的不同需求，我们也给出了使用n/2＋1个PE来计算模乘、模幂的实现算法，并做出了相应的数据分析。     

快速实现数字签名的宏观加模算法

提出一种宏观累加模的快速模幂乘的算法,将乘法运算和求模运算转换成简单的移位运算和加法运算,从而避免了求模运算和减少大数相乘次数。实验表明,本算法可以用接近n/2次n-bit的加法运算即可实现A×BmodN运算,在宏观上看,计算C=me要比Montgomery等算法快2倍。     

RSA高速模乘单元的设计

论文分析了Montgomery算法,利用迭代加法之间的并行性提出了一种流水并行工作的硬件模乘结构。该结构具有时钟频率高,模幂运算时间短的优点,适合于RSA的模幂运算,可以极大提高RSA加密运算的效率,同时其体系结构适合于高阶Montgomery算法的实现。FPGA实现的结果表明,512位的高速模乘单元工作频率74.27MHZ;1024位的高速模乘单元工作频率73.94MHZ。模乘单元的面积与位宽成正比,而工作频率基本不变。基于此结构,512位的RSA运算时间为1.78ms,1024位的RSA运算时间为7.08ms。     

RSA模乘器硬件优化设计

在分析RSA算法的基础上，着重对核心的模乘运算进行了优化，并在FPGA上对改进后的模乘算法以及1024位的RSA密码算法进行了仿真。实验结果表明，优化效果较为理想。本文涉及RSA模乘器能够较好地满足现代电子政（商）务，变电站远程通讯等应用系统的实时性要求，具有良好的应用前景。     

基于Montgomery模乘的RSA加密处理器

提出一种基4的Montgomery模乘算法及优化的硬件结构,将传统基2模乘运算迭代次数减少近一半。在该模乘模块基础上设计高速RSA加密处理器,采用进位保留形式的全并行模幂运算流程,避免长进位链和中间结果转换的问题。结果表明,该设计同时适应FPGA和ASIC实现,完成一次标准1 024位RSA加密运算仅需9 836个周期,加密速率提高50%以上。     

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。     

RSA算法在TMS320C62x中的高速实现

根据TITMS320C62xDSP的结构和指令执行周期的特点,该文提出了一种优化的Montgomery模乘算法犤2犦,该算法适于TMS320C62xDSP,节省内存空间,大大提高了运算速度。模长为1024bit的一次RSA签名所用时间仅为12.1ms,一次签名验证时间仅为1.5ms,性能十分优越。     

模幂运算安全外包算法的新设计

由于模幂运算的计算成本较高,资源有限的本地客户端可以将模幂运算外包给计算能力强大的云服务器。该算法主要研究形如u^a(mod N)的模幂运算的外包算法,其中N是两个大素数的乘积。其利用欧拉定理设计了一个基于双服务器模型的模幂运算安全外包方案。在运算外包过程中,保证底数u、指数a,以及运算结果对两个服务器的隐私保护。通过安全、效率分析和实验仿真表明,相较于现有方案,新方案具有更好的执行效率和可验证性,在用户端的效率更高,且新方案的可验证概率为1。     

Montgomery模平方算法及其应用

分析Montgomery模乘算法的设计思想和模平方中乘法的计算过程,通过引入两种新的平方计算方法以及对Montgomery算法的优化,提出适合于通用32位处理器实现的Montgomery模平方算法。将该方法应用于模幂计算,给出基于滑动窗口技术的Montgomery模幂算法。实验结果表明,该算法能将模幂的计算速度提高9%~12%。     

Efficient implementation of modular multiplication over 192-bit NIST prime for 8-bit AVR-based sensor node

Modular multiplication is one of the most time-consuming operations that account for almost 80% of computational overhead in a scalar multiplication in elliptic curve cryptography. In this paper, we present a new speed record for modular multiplication over 192-bit NIST prime P-192 on 8-bit AVR ATmega microcontrollers. We propose a new integer representation named Range Shifted Representation (RSR) which enables an efficient merging of the reduction operation into the subtractive Karatsuba multiplication. This merging results in a dramatic optimization in the intermediate accumulation of modular multiplication by reducing a significant amount of unnecessary memory access as well as the number of addition operations. Our merged modular multiplication on RSR is designed to have two duplicated groups of 96-bit intermediate values during accumulation. Hence, only one accumulation of the group is required and the result can be used twice. Consequently, we significantly reduce the number of load/store instructions which are known to be one of the most time-consuming operations for modular multiplication on constrained devices. Our implementation requires only 2888 cycles for the modular multiplication of 192-bit integers and outperforms the previous best result for modular multiplication over P-192 by a factor of 17%. In addition, our modular multiplication is even faster than the Karatsuba multiplication (without reduction) which achieved a speed record for multiplication on AVR processor.

     

模重复平方算法的rho改进算法

利用循环二进制方法给出了适合大指数模乘运算的模重复平方算法的rho改进算法,以提高模幂乘法的计算速度。新算法的实质是一种指数约减算法,可以有效减少模重复平方算法中的模乘运算。通过实例计算表明,新算法可以极大地提高运算速度。     

RSA密码系统有效实现算法

本文提出了实现RSA算法的一种快速、适合于硬件实现的方案，在该方案中，我们作用加法链将求幂运算转化为求平方和乘法运算并大大降低了运算的次数，使用Montgomery算法将模N乘法转化为模R（基数）的算法，模R乘积的转化，以及使用一种新的数母加法器作为运算部件的基础。     

Bipartite modular multiplication with twice the bit-length of multipliers

This paper presents a new technique to compute 2ℓ-bit bipartite multiplications with ℓ-bit bipartite multiplication units. Low-end devices such as smartcards are usually equipped with crypto-coprocessors for accelerating the heavy computation of modular multiplications; however, security standards such as NIST and EMV have declared extending the bit length of RSA cryptosystem to resist mathematical attacks, making the multiplier quickly outdated. Therefore, the double-size techniques have been studied this decade to extend the life expectancy of such multipliers. This paper proposes new double-size techniques based on the multipliers implementing either classical or Montgomery modular multiplications, or even both simultaneously (bipartite modular multiplication), in which case one can potentially compute modular multiplications twice faster. Furthermore, in order to get a more realistic estimation than the other works, this paper considers not only the cost of the multiplication, but also the cost of the other arithmetic instructions. In our estimation, the proposal provides comparable results for classical multiplier and Montgomery multiplier, and is the only available method for the bipartite multiplier. A preliminary version of this paper was presented at the 12th Australasian Conference on Information Security and Privacy, ACISP’07.