公开密钥算法芯片的设计与实现

以RSA算法为例,探讨公钥密码处理芯片的设计与优化。首先提出公钥密码芯片实现中的核心问题,即大整数模幂运算算法和大整数模乘运算算法的实现;然后针对RSA算法,提出Montgomery模乘算法的CIOS方法的一种新的快速硬件并行实现方法,其中采用加法与乘法并行运算以及多级流水线技术以提高性能,较大地减少乘法运算时间,显著提高模乘器的运算性能。     

基于n-bit协处理器的2n-bit RSA实现

借助模幂乘协处理器是提升RSA性能最有效的方法,但当RSA模幂运算长度超过协处理器能支持的最大运算长度时,协处理器将不再适用。本文针对这个问题,基于中国剩余定理和Fischer、Seifert算法,在n－bit模幂乘协处理器的基础上实现了模长为2n-bitRSA算法,并利用模幂乘协处理器实现了n－bit大数乘法和除法,进一步提高了RSA运算效率。     

基于流水线技术的并行模幂算法硬件实现

针对R-L模幂算法并行硬件实现成本高的问题,提出一种流水线形式的模幂运算结构.采用流水线技术对模幂算法中Montgomery模乘运算进行硬件设计,并由此构建模幂运算结构,实现并行模幂运算,降低硬件成本.同时对模幂算法中预处理和后处理步骤进行优化,以减少迭代次数.Virtex-2系列现场可编程门阵列原型的实现结果表明,在保证并行模幂运算速度的前提下,该结构的硬件实现成本近似为传统并行结构的1/2,且数据吞吐率更高,可达14 Mb/s.     

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法实现时间效率与理论分析基本吻合.     

大整数模幂的固定基窗口组合算法

模幂乘运算是实现公钥密码体制的一个很重要的运算,其运算速度从整体上决定了公钥密码体制的实现效率。通过采用预处理技术,将椭圆曲线的定点标量乘的固定基窗口方法应用在模幂运算中,与SMM算法进行组合得到一种新的求模幂乘算法——固定基窗口方法。对算法的原理与效率进行了分析,实验结果表明,算法的运算速度得到了有效提高。     

RSA公钥密码算法差分计时攻击研究

RSA密码算法执行过程中的模幂运算时间是不固定的,精确测量解密过程中泄露出的时间差异信息即可推断出相关密钥。为此,研究RSA公钥密码算法的实现和计时攻击原理,分析RSA解密运算过程,找出RSA在计时攻击中存在的安全缺陷。在简单计时攻击的基础上,提出基于从左到右“平方-乘法”模幂运算的RSA差分计时攻击算法,并介绍相应的防御措施。     

三素数RSA算法的快速实现

RSA算法的执行效率与模幂运算的实现效率有着直接的关系。该文描述及分析了运用中国剩余定理CRT来实现三素数RSA私钥运算的方法和实现步骤。结果分析表明基于CRT的三素数RSA处理速度加快,具有一定的应用价值。     

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Montgomery模幂乘硬件流水线实现算法

文章提出了一种基于Montgomery算法的模幂乘硬件流水线实现算法,该算法的核心是把模N乘上一个系数,使倍增后的模之低若干位(二进制)全为1,然后用倍增后的模进行Montgomery算法模幂乘运算。采用该算法,可以设计出用于实现RSA的高频流水线运算部件。     

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。     

一种适于硬件实现的快速模乘算法

RSA算法是目前应用最广泛的一种公钥加密算法,随着人们对加密安全性和加密速度要求的提高,硬件实现加密算法成了密码学应用的一个趋势。模乘算法是模幂算法的核心,基于Montgomery算法,结合Booth2算法的思想,文章给出了一种改进的高效算法,并且通过FPGA实现。对该算法和参考文献中算法的性能进行了比较,可以看出这一改进算法在速度和面积上优于现有的算法。     

基于高基阵列乘法器的高速模乘单元设计与实现

蒙哥马利模乘算法是最适合硬件实现的模乘算法,被应用在RSA密码和ECC密码的协处理器设计中.目前性能最高的是高基蒙哥马利模乘算法,分析了高基蒙哥马利算法的实现,提出了一种新的基于高基阵列乘法器的Montgomery模乘高速硬件实现结构,基于这种结构位长为n的比特模乘仅需要约n/w+6个时钟周期,该结构设计的电路只与最小单元有关,在硬件实现时可以大大提高频率,并提高设计的性能,可以设计高速的RSA和椭圆曲线密码大规模集成电路.     

有限域模乘专用指令设计

针对椭圆曲线密码算法中有限域模乘运算的需求,提出其专用模乘指令。利用指令域中的组参数实现算法多组模乘运算,通过对参数进行配置,使指令支持运算长度拓展,在模乘运算单元中实现Montgomery模乘算法,并设计素域和二进制域统一的硬件流水线,以及双域乘法器单元结构。实验结果表明,该有限域模乘指令和硬件运算单元具有较高的执行效率和较好的灵活性。     

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。     

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。     

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。     

Montgomery算法及其在加密硬件中的实现

随着计算机及其网格在社会生活中应用不断扩大,信息安全成为信息领域重要的研究课题。     

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。     

一种通用GF(2m)模乘加速器的快速实现

在椭圆曲线密码体制(ECC)中,有限域GF(2m)上模乘运算是最基本的运算,加速模乘运算是提高ECC算法性能的关键。针对不同不可约多项式广泛应用的现状,提出了一种通用GF(2m)模乘加速器设计方案。该加速器通过指令调度的方式,能快捷地完成有限域上模乘运算。实现结果表明,该设计完全适用于智能卡等应用要求。