橢圓曲線(xiàn)加密的硬件實(shí)現

關(guān)鍵詞： FPGA；多項式有限域；橢圓曲線(xiàn)加密系統

加密的安全性
從數論的角度來(lái)說(shuō)，任何公鑰密碼系統都建立在一個(gè)NP(無(wú)法處理的問(wèn)題)的基礎上，即對于特定的問(wèn)題，沒(méi)有辦法找到一個(gè)多項式時(shí)間算法求解該問(wèn)題。一般求解此類(lèi)問(wèn)題的算法都是指數時(shí)間或者亞指數時(shí)間，例如現在常用的RSA算法就是基于大整數因式分解問(wèn)題的難解性。經(jīng)過(guò)近三十多年的研究，RSA算法雖然并不存在多項式時(shí)間的算法，但是可以找到亞指數時(shí)間的算法，目前其密鑰長(cháng)度必須大于1024位才能保證信息傳遞的安全，而橢圓曲線(xiàn)加密系統 (Elliptic Curve Cryptosystem—ECC) 是目前已知的所有公鑰密碼體制中能夠提供最高比特強度 (Strength-Per-Bit) 的一種公鑰體制，只需要160的密鑰就可以達到1024位RSA算法提供的安全等級。其根據是有限域上的橢圓曲線(xiàn)上的點(diǎn)群中的離散對數問(wèn)題(ECDLP)，許多密碼專(zhuān)家認為它是指數級的難度。因此對于橢圓曲線(xiàn)加密系統來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)從計算量、處理速度、存儲空間和通信帶寬等角度分析，橢圓曲線(xiàn)加密系統都有很大的優(yōu)勢。IEEE已經(jīng)制定的公鑰加密算法標準P1363就是基于ECC算法的?，F在密碼學(xué)界普遍認為它將替代RSA成為通用的公鑰密碼算法，目前已成為研究的熱點(diǎn)，是很有前途的研究方向。

圖1 點(diǎn)算法實(shí)現

圖2 密鑰、數據交換

圖3 橢圓曲線(xiàn)加密系統結構圖

圖4 橢圓曲線(xiàn)加密系統FPGA電路模塊框圖

圖5 驗證系統結構

橢圓曲線(xiàn)加密體制
橢圓曲線(xiàn)
引進(jìn)Non-supersingular橢圓曲線(xiàn)Weierstrass方程E:Y2+XY=X3+aX2+c其中a,c∈GF(2k),c≠0。為簡(jiǎn)化以后的運算，引進(jìn)z使X=x/z；Y=y/z，則橢圓曲線(xiàn)方程化為E:y2z+xyz=x3+ax2z+cz3，定義(x, y, z)=λ(x, y, z)?？梢钥闯霎攝≠0，(X, Y)和(x, y, z)相對應，當z=0可以理解為沿y軸趨向無(wú)窮遠，定義為無(wú)窮遠點(diǎn)O。則橢圓曲線(xiàn)上所有的點(diǎn)外加無(wú)窮遠點(diǎn)構成的集合構成一個(gè)Abel群，O是單位元(零元)。在橢圓曲線(xiàn)E上定義了兩種點(diǎn)運算：點(diǎn)運算和點(diǎn)運算。
1) 橢圓曲線(xiàn)上點(diǎn)運算定義為：設P=( x1, y1, 1)∈E，Q=( x2, y2, 1) ∈E，-P=( x1, y1+ x1, 1), 當Q≠-P時(shí) PQ=(x3, y3, z3) 則
當P≠Q時(shí)：
其中A=(x2z1+x1),B=(y2z1+y1), C=A+B,D=A2(A+a2z1)z1BC
當P=Q時(shí)：
其中
2) 橢圓曲線(xiàn)上的點(diǎn)運算定義為：設P=(x1, y1, 1)∈E，(ltlt-1...l0)2是整數l的二進(jìn)制表示形式，lP=PPAP=Q且Q∈E。
利用上面的點(diǎn)運算，得點(diǎn)算法實(shí)現如圖1所示。定義l=logpQ，若P的周期很大，則利用l、P求Q是比較容易的，但利用P、Q求l是很難處理的，這就是ECDLP，橢圓曲線(xiàn)加密就是建立在這個(gè)難題之上。
加密體制
在Diffe-Hellman公鑰系統體制中，具體的橢圓曲線(xiàn)、曲線(xiàn)上點(diǎn)P及P的周期大素數N都是公開(kāi)信息。
A和B要進(jìn)行通訊，首先得到橢圓曲線(xiàn)E、點(diǎn)P及素數N。然后用戶(hù)A將[1,N-1]中隨機選取的整數a作為私鑰，A將KpubA=aP作為自己的公鑰傳送給用戶(hù)B，與此同時(shí)B將 [1,N-1]中隨機選取的整數b作為私鑰，并將KpubB=bP作為自己的公鑰傳送給A。A、B各自將自己的私鑰點(diǎn)乘于對方傳過(guò)來(lái)的公鑰得到KAB，這樣就完成了密鑰的交換過(guò)程。當用戶(hù)A需要將待傳數據m傳送給用戶(hù)B時(shí)，A利用m和KAB生成Em，當用戶(hù)B得到Em后，利用密鑰交換過(guò)程自己生成的KAB和從用戶(hù)A處得到的加密數據Em生成數據m。見(jiàn)圖2。

橢圓加密體制實(shí)現
迄今所投入使用的橢圓加密系統中，絕大部分的密鑰長(cháng)度都比較短，一般集中在30~60位，這是因為在軟件實(shí)現時(shí)，由于軟件執行速率所限，密鑰長(cháng)度比較大(≥160)的橢圓加密系統的速率將達不到使用要求。與此同時(shí)，在硬件實(shí)現時(shí)，密鑰長(cháng)度比較大的橢圓加密系統將耗費大量的硬件資源。隨著(zhù)橢圓加密算法研究的深入和可編程邏輯器件的快速發(fā)展，利用可編程邏輯器件實(shí)現橢圓加密系統已經(jīng)是一個(gè)可能的選擇，下面將介紹一種實(shí)現方案，并且用軟、硬件分別實(shí)現。
根據以上橢圓加密體制的要求，設計出圖3的加密系統結構圖，其中橢圓加密系統參數接口獲取與加密有關(guān)的橢圓的基本參數，如私鑰、橢圓曲線(xiàn)、橢圓曲線(xiàn)上的給定點(diǎn)等。橢圓曲線(xiàn)乘法控制部分主要負責如何計算乘法結果，會(huì )大量調用PP和PQ來(lái)實(shí)現乘法功能；而PP和PQ通過(guò)有限域加法、乘法和求逆的調用得到結果。
軟件模型驗證
軟件實(shí)現的主要目的是為硬件實(shí)現建立驗證模型，整個(gè)軟件的結構如圖3所示。在軟件驗證系統實(shí)現的過(guò)程中，有限域上的加法是異或操作。有限域上的乘法和求逆是關(guān)鍵點(diǎn)，必須預先考慮到硬件實(shí)現時(shí)的資源消耗，需要高效的算法。在此系統中使用了復合域GF((2n)m)帶來(lái)的特殊性，可以高效、快速的實(shí)現乘法和求逆運算。
* GF(2n)上的乘法：A(y)×B(y)=C(Y)modQ(y)，Q(y)為既約多項式。常用的有： Paar-Rosner乘法器、Mastrovito乘法器、Massey-Omura乘法器、Hasan-Bhargava乘法器等，此處介紹兩種選擇：
1) 當n比較小時(shí)可用查表法實(shí)現，設ω為Q(y)=0的本原根，則F2n={0,ω,Aω2n-1}，利用查表法取得A、B的級次數a、b，C的級次c=a+b，再次利用查表法由c得C。在本系統中就使用了此法實(shí)現GF(2n)上的乘法。
2) 當n比較大時(shí)，利用查表法資源消耗太大，難以承受，可利用C=Z×B(n比較大時(shí))，Z是由A(y),Q(y)確定的矩陣，其中：

* 復合有限域的乘法：以GF((24)2)為例，利用GF(24)上的乘法和加法可以構造出GF(28)的乘法。子域GF(24)的本原多項式為Q(y)=y4+y+1，第二個(gè)子域的本原多項式為R(z)=z3+z+ω14，其中ω是GF(24)的基底元素，滿(mǎn)足Q(ω)=0。域中兩個(gè)元素的乘法[a0+a1z]×[b0+b1z]可以表示為：

這樣GF((24)2)在復合域上的乘法就可以通過(guò)GF(24)上的有限域的數學(xué)運算而得到。
* 復合有限域的逆運算：復合有限域GF((2n)m)中的元素A的逆為：
其中
可以觀(guān)察到Ar屬于子域GF(2n)中的元素，可以較容易的求取(Ar)-1的值。
FPGA硬件實(shí)現
軟件化的實(shí)現方法開(kāi)發(fā)時(shí)間短，但是其加密速度比較慢，妨礙了橢圓曲線(xiàn)加密的實(shí)用性。FPGA的方法綜合了軟件的靈活性和硬件的安全性，提供了比軟件化方法優(yōu)越的速度，和傳統的ASIC實(shí)現相比，可編程器件由于其高度的靈活性，更適合于密碼學(xué)的應用領(lǐng)域。
在軟件模型的基礎上，我們針對FPGA硬件的特性對模型進(jìn)行了優(yōu)化。根據橢圓曲線(xiàn)加密算法的要求，對加密系統進(jìn)行模塊化設計，每個(gè)模塊獨立完成其各自功能，模塊之間進(jìn)行相互數據交換以及時(shí)序控制，達到加密功能。圖4是橢圓曲線(xiàn)加密系統FPGA實(shí)現的電路模塊框圖。
其中，橢圓曲線(xiàn)加密控制系統模塊是整個(gè)系統的核心。當Ready為T(mén)rue時(shí)，系統讀入初始數據并且控制RAM進(jìn)行初始數據的存儲。在運算過(guò)程中，該模塊根據數據源對選擇器進(jìn)行控制循環(huán)，進(jìn)行PP=R和PQ=R運算，獲得最后結果，然后通過(guò)Out_Ready信號對結果進(jìn)行輸出；選擇器模塊根據控制系統模塊提供的指令對PP=R模塊和PQ=R模塊進(jìn)行控制，并且提供相應的實(shí)時(shí)數據流；PP=R模塊和PQ=R模塊利用對有限域上的加法和乘法運算進(jìn)行時(shí)序控制求出橢圓曲線(xiàn)上點(diǎn)的加法運算，將直接影響到整個(gè)系統的速度性能，因此必須對有限域上的加法和乘法運算設計合理的輸入輸出數據流，以達到高效率的運算速率。各種存儲器模塊根據不同的指令分別存放系統的初始值、運算過(guò)程中的中間值以及系統運算結果。
綜合以上各種因素，我們選擇了XILINX 公司的VirtexII器件，ISE 4.1作為開(kāi)發(fā)平臺，VHDL作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。由于168位的橢圓曲線(xiàn)加密算法的計算量比較大，所以在FPGA實(shí)現的時(shí)候，布線(xiàn)是個(gè)值得考慮的因素。對于FPGA器件的選擇應考慮到布線(xiàn)資源，Virtex 系列提供的布線(xiàn)資源比較豐富。在Modelsim上進(jìn)行仿真后得到性能指標為：在40MHz時(shí)鐘驅動(dòng)下第一次加密或者解密時(shí)需要初始的建立時(shí)間，明文或者密文的輸出需要2ms左右，其后的明文或者密文的輸出大約為25Mbps?？梢钥闯?，這是一個(gè)比較高的速率，可以應用于很多場(chǎng)合。
應用系統驗證
橢圓加密硬件實(shí)現后，必須在實(shí)際系統中得到驗證。我們特地構造了串口加密實(shí)驗板進(jìn)行驗證，整個(gè)驗證系統的結構如圖5所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際系統驗證，證明上述橢圓加密體制硬件實(shí)現是成功的。

結語(yǔ)
公鑰密碼體制由于其運算和時(shí)間復雜性較高，通常用于密鑰管理、密鑰交換、數字簽名和認證等涉及信息較少的場(chǎng)合。目前，被廣泛使用的仍是DES、RSA這樣陳舊的算法，算法的更新不僅可以使本來(lái)的密碼戶(hù)獲得更好的性能，而且還可以使IC卡、手機等本來(lái)難以實(shí)現密碼算法的領(lǐng)域可以使用密碼技術(shù)來(lái)保證信息安全。
橢圓曲線(xiàn)密碼體制(ECC)正在以其更短的密鑰和理論上更高的強度引起業(yè)界的重視，而橢圓曲線(xiàn)密碼體制(ECC)的硬件實(shí)現也將是公鑰密碼體制中的一個(gè)聚焦點(diǎn)。本文雖然已經(jīng)為將來(lái)的工作打下了良好的基礎，在以下幾個(gè)方面還有大量的工作需要做。首先是可編程邏輯器件的發(fā)展，以后必然出現能提供更大門(mén)數，能提供更快速率的器件；其次是橢圓曲線(xiàn)密碼體制本身的改進(jìn)；最后是有限域數學(xué)運算的硬件實(shí)現算法的進(jìn)一步改良。隨著(zhù)以上各個(gè)方面的發(fā)展，將能提供更長(cháng)密鑰和更快的數據速率的硬件實(shí)現，為國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展提供更快更安全的加密系統?！?/P>

參考文獻：
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5 E.D. Mastrovito. VLSI Architectures for Computations in Galois Fields. Linkoping University. Linkoping, Sweden, 1991

作者簡(jiǎn)歷：胡瑞元，畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現于中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所小衛星工程部攻讀碩士研究生，主要研究方向為通信中的加密、解密，尤其是算法的硬件實(shí)現，信道編碼。