基于顯式并行指令計算結構的密碼算法設計

目前，在多數保密通信沒(méi)備中，主要采用通用CPU和專(zhuān)用硬件電路控制密碼專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現兩種方式的密碼運算。采用前者控制密碼專(zhuān)用芯片時(shí)，需要選用一種具有靈活性高、維護容易、升級方便等特點(diǎn)的性能優(yōu)良的通用微處理器GPP(General Purpose Processor)，但由于通用微處理器指令的局限性，使密碼專(zhuān)用芯片達不到其最佳性能，嚴重影晌了保密通信的速度；采用專(zhuān)用硬件電路直接控制密碼專(zhuān)用芯片，雖然可使密碼專(zhuān)用芯片的性能達到最高，但由于其功能只依賴(lài)于密碼專(zhuān)用芯片及其外圍器件，使得靈活性差、開(kāi)發(fā)周期比較長(cháng)。

由此可見(jiàn)，無(wú)論采用上面哪種方式，由于密碼專(zhuān)用芯片的運算處理與控制分離，限制了密碼數據處理性能，制約了系統整體速度。針對上述問(wèn)題，通過(guò)分析多種密碼算法，本文提出一種基于處理器設計思想的顯式并行指令計算結構(EPIC的可編程密碼處理器架構，實(shí)現了速度與靈活性的折衷。

1 密碼算法分析

1.1 典型的密碼算法及其應用

現針對七種分組密碼算法和兩種雜湊函數即DES、IDEA、Rijndael、RC6、Serpent、Twofish、Mars、MD5和SHA進(jìn)行分析。

分組密碼算法是一個(gè)將比特明文映射成n比特密文的雙射函數，n為其分組長(cháng)度，它的加密與解密過(guò)程具有相同的密鑰，因此又稱(chēng)為對稱(chēng)密碼算法。而雜湊函數是一種將任意長(cháng)度的消息壓縮為某一固定長(cháng)度的消息摘要的函數，它主要用十數字簽名、消息的完整性檢測和消息的起源認證檢測等方面。

DES算法(數據加密標準)是第一代公開(kāi)的完全說(shuō)明實(shí)現細節的被世界公認的分組密碼算法。其最初設計者是IBM公司，并取得了它的專(zhuān)利權。在隨后的二十多年中，DES算法作為一種典型的分組密碼算法，被廣泛地應用于保護商業(yè)數據的安全(如銀行系統等)。

IDEA算法(國際數據加密算法)公布于1992年，足IPES標準，因廣泛應用于email加密認證軟件(PGP)中而聞名。

Riindael是1998年公布的，并于2000年在由NIST(美國國家標準技術(shù)研究所)主持的AES評選中獲勝，此后Rijndael算法也稱(chēng)為AES算法，成為逐漸代替DES的新的加密標準。

RC6、Serpent、Twofish和Mars算法是與Rijndael算法一起參評的AES候選算法，它們都不同程度地體現了分組密碼算法的設計原則，對應用密碼學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了相當大的影響。

MD5消息摘要函數是由RSA算法的設計者之一Rivest提出的一種單向散列函數，它不基于任何假設和密碼體制，采用了直接構造的方法，處理速度非?？?。

SHA是1993年公布的聯(lián)邦信息處理標準(FIPS-180)的安全散列標準，由NIST提出并于1995年推出了其修訂版，通稱(chēng)為SHA-1。

1.2 密碼算法中的基本操作

在分析上述算法的基礎上，提取出各個(gè)算法的核心操作類(lèi)型，并總結出它們的基本操作分別為以下六類(lèi)：S盒操作、比特置換操作、算術(shù)運算、邏輯運算、移位操作和有限域乘法運算。其中算術(shù)運算包括模加／減和模乘運算，邏輯運算則由‘與 i、‘或 i、‘非 i和‘異或 i組成，表1詳細列出了它們在各種算法中的具體應用，如DES算法中主要使用了S盒操作、比特置換、異或和移位操作。

2 可編程密碼處理器體系結構設計

在典型的可編程密碼處理器結構(AFPC)中，EPIC結構開(kāi)發(fā)的是標量操作之間的隨機并發(fā)性，并且增加了功能部件的個(gè)數。不相關(guān)的指令由編譯顯式地編入到一個(gè)超長(cháng)的機器指令字中，并發(fā)射到流水線(xiàn)，在各個(gè)功能部件中并發(fā)執行，指令級并行度為4～8。這種結構的硬件控制相對簡(jiǎn)單，在計算密集型應用時(shí)內在并行性很明顯。且不需要很多轉移預測。在這種結構上運行指令能夠達到較高的實(shí)際指令級并行度。正是由于以上特點(diǎn)，EPIC結構在很大程度上符合了密碼算法的需求，即計算密集且順序執行。

可編程密碼處理器體系結構的硬什結構如圖1所示，整個(gè)處理器包括三部分：數據通路、控制單元和輸入／輸出接口電路。

數據通路是處理器的關(guān)鍵部件之一，包含FUO～FU5共6個(gè)可并行執行的功能單元、32個(gè)32bit通用寄存器、4×32個(gè)32bit密鑰寄存器和回寫(xiě)單元。

功能單元是處理器執行指令運算的核心，由若干個(gè)密碼運算模塊組成。其中，FUO～FU3內部運算模塊的組成與結構完全相同，輸入為3個(gè)32bit運算數據，其中2個(gè)來(lái)自通用寄存器堆、1個(gè)來(lái)自密鑰寄存器堆，輸出的運算結果亦為32bit。FUO～FU3內部分別設置了7個(gè)運算模塊，分別為S盒運算模塊、模加，減運算模塊、模乘運算模塊、32bit移位運算模塊、有限域乘法運算模塊、二輸入邏輯運算模塊、三輸入邏輯運算模塊。FU4內部設置了1個(gè)128bit，置換運算模塊，輸入為12個(gè)32bit運算數據，其中8個(gè)來(lái)自通用寄存器堆，4個(gè)來(lái)自密鑰寄存器堆。FU5內部設置了1個(gè)128bit移位運算模塊，輸入也為12個(gè)32bit運算數據，其中8個(gè)來(lái)自通用寄存器堆，4個(gè)來(lái)自密鑰寄存器堆。

上述這些運算模塊功能不是單一的，而是可重構的。表2中給出了4個(gè)可重構運算模塊所支持的模式。

除了上述運算模式可重構外，各運算模塊根據具體情況還支持運算前增加‘異或 i操作、運算后增加‘異或 i操作或者運算前后都增加‘異或 i操作。由于‘異或 i操作延時(shí)很小，它的加入并不影響運算的關(guān)鍵路徑，這就使得密碼運算時(shí)減少了單一‘異或 i操作的時(shí)鐘，從而減少了整個(gè)運算的時(shí)鐘數，并且不影響整體性能。表3中給出了Rijndael算法輪運算流程，采用有限域乘法運算后加入‘異或 i操作，時(shí)鐘周期數由4減為3，10輪運算將減少10個(gè)時(shí)鐘周期。

控制單元完成指令存取、指令譯碼、指令存儲器地址生成等工作，協(xié)調處理器內部指令與外部用戶(hù)命令正確執行。

輸入／輸出接口電路包括16個(gè)32bit輸入寄存器、16個(gè)32bit輸出寄存器、4個(gè)數據 長(cháng)度計數器、1個(gè)32bit命令寄存器等，完成指令、運算數據從32bit數據總線(xiàn)裝載到指令存 儲器和輸人寄存器以及運算結果從內部通用寄存器寫(xiě)入輸出寄存器等操作。