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隨著各種加解密算法密鑰長度的逐步增加，在一些具有安全性需求的芯片設(shè)計中，大規(guī)格數(shù)據(jù)運算的硬件實現(xiàn)已成為硬件設(shè)計的主要考慮因素和設(shè)計難點．比如RSA等基于大數(shù)分解的公鑰密碼算法，雖然目前密鑰長度已達1024位，但是仍然不能避免將被破解的厄運，致使密鑰還需進一步增加．這種運算規(guī)格的增長不僅使加解密運算速度降低，而且增加了硬件實現(xiàn)的難度。 目前國內(nèi)外對大數(shù)值運算器的研究，主要集中在大數(shù)模冪乘運算的實現(xiàn)上，其數(shù)學表達式為S=ABmodN．大數(shù)模冪乘一般用模平方和模乘來實現(xiàn)；對于一個指數(shù)B，模平方的次數(shù)是固定的，而模乘的次數(shù)是可以優(yōu)化的．因此可在以下兩方面考慮運算加速：(1)減少模乘次數(shù)；(2)提高大數(shù)模乘速度．針對第一種方案提出的加速算法有m進制方法、加法鏈法、Yacobi法；針對第二種方案有估商型系列算法和Montgomery系列算法_．以上各種方案或者需要預(yù)計算，占用較大的存儲空間，或者需要設(shè)置專門的乘法單元，都是在犧牲規(guī)模的前提下提高運算速度．在對規(guī)模要求嚴格的安全芯片中，以上方法不再適用．而且，它們也并未涉及其他運算(如加、減、乘、除等四則運算)的大規(guī)格實現(xiàn)方法。 根據(jù)保密終端安全芯片CSTU(China secureterminal unit，國家密碼委員會審批項目，產(chǎn)品型號SSX11)對運算速度要求不高(主頻20 MHz)、對規(guī)模要求嚴格的設(shè)計需求，提出了一種小規(guī)模的大數(shù)值運算器設(shè)計方法.基于加法操作，在掃描鏈的配合下，全部用邏輯電路實現(xiàn)了包括加減乘除及模乘、模冪乘等多種運算功能，各功能支持的運算規(guī)格從8位一直擴展到2048位．經(jīng)綜合驗證，在20MHz的主頻下，設(shè)計規(guī)模只有13887門，完全適用于CSTU安全體系的面積優(yōu)先的設(shè)計要求。 1 CSTU 安全芯片體系結(jié)構(gòu)簡介 隨著人們對安全需求的不斷增加，采用固定或單一加解密算法的產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足人們的需求，目前的安全產(chǎn)品需要經(jīng)常更換加解密算法甚至改變整個安全策略．適應(yīng)這種需求常用的方法是在基本運算器之上，使用軟件編程的方式靈活的實現(xiàn)算法的轉(zhuǎn)換．但是面對不斷升級的軟件破解技術(shù)的挑戰(zhàn)，以及軟件方式的低速率性，各種加解密算法也由軟件實現(xiàn)向硬件電路實現(xiàn)過渡．為解決這一矛盾．可支持多種加解密算法的硬件安全產(chǎn)品就應(yīng)運而生，其中基于可重組方式設(shè)計的安全芯片無疑又具有領(lǐng)先優(yōu)勢。 CSTU保密終端安全芯片采用了可重組設(shè)計思想，綜合分析了當前大量使用的DES，AES，IDEA，RSA，MD5等十余種加解密算法的實現(xiàn)過程，支持對稱、公鑰、摘要密碼算法及用戶隱秘算法，提供這些算法實現(xiàn)所需的IP平臺，不同的用戶可以根據(jù)自己的需要在平臺上進行二次開發(fā)，形成自己定義的安全算法及策略。 CSTU安全芯片可用于保密電話、安全卡證或移動安全終端等產(chǎn)品中，這些產(chǎn)品的共同特點是對規(guī)模要求比較嚴格，對公鑰密碼算法的速度要求不高．為提供對公鑰密碼算法和數(shù)字簽名算法的支持，大數(shù)運算器成為CSTU安全體系中關(guān)鍵的核心IP．根據(jù)實際需求，本設(shè)計在滿足硬件規(guī)模盡可能小同時支持盡可能多的運算功能和多種規(guī)格的數(shù)據(jù)運算的條件下，最終保證整個系統(tǒng)的靈活性。 2 算法分析 2．1 模冪乘算法分析 模冪乘運算采用平方乘算法，將模冪乘運算轉(zhuǎn)化為模乘和模平方運算實現(xiàn)。 平方-乘算法：一般地，求S=ABmodN，其中A 觀察算法，由于指數(shù)B化為二進制后的長度不確定，多數(shù)情況下高位會存在很多個0．如果完全按照該算法實現(xiàn)，指數(shù)B從最高位起開始運算，在第一個1出現(xiàn)以前，雖進行了多次運算，但D的值一直為1；當B出現(xiàn)第一個1后才進入有效的模乘運算．在具體實現(xiàn)時，設(shè)計專門的電路從高到低掃描指數(shù)B的每一位，當在找到第一個1之前，不做任何運算，找到第一個1時，使D=A，以后根據(jù)每次掃描的6值，調(diào)用模乘實現(xiàn)運算。 經(jīng)過對多種公鑰加解密算法的分析——如RSA算法，通常公鑰的有效位較短，而私鑰有效位較長．加密中的模冪乘運算，指數(shù)有效位很少，所以上面的改進可大大減少模乘次數(shù)，加快加密過程．以目前常用的私鑰和模數(shù)1 024 bit，公鑰128bit情況為例，采用上述改進可減少896次不必要的模乘．解密過程使用中國余數(shù)定理(CRT)，可有效降低解密指數(shù)的長度，整個算法的執(zhí)行效率得到進一步提高。 2．2 模乘及模加的實現(xiàn)方法 模乘采用改進的Blakley加法型算法，原理與平方-乘算法類似，核心是將模乘轉(zhuǎn)化為模加實現(xiàn)．如通常S=(A×B)modN，A 將B表示成二進制： 由上式可知，可以像平方一乘算法一樣，將模乘轉(zhuǎn)化為模加實現(xiàn)。 一般模加運算表示為S=(A+B)modN，觀察以上模乘及模冪乘算法原理描述，可知在其調(diào)用的模加運算中，因為A 因此考慮在運算中同時計算(A+B)和(A+B-N)兩個結(jié)果，運算完成后通過判斷加法器與減法器的進位輸出(CO)與借位輸出(BO)．決定哪個為本次模加的正確結(jié)果．同上，A，B，N均為l位的二進制數(shù)，若CO=1，則說明(A+B)為l+1位二進制數(shù)，必大于l位的N；若CO=0，則(A+B)和N同為l位，當BO=1時(A+B) 從而可以在一次運算中完成加法和求模過程，使模加的運算速度提高1倍。 2．3 其他功能實現(xiàn) 經(jīng)過對多種公鑰加解密算法及簽名算法的分析，為提高芯片整體靈活性本設(shè)計還給出了對乘法、除法、求模、模加法逆、開方幾種常用運算的支持．同樣選擇基于加減運算的算法實現(xiàn)，充分考慮算法對掃描鏈等已有邏輯資源的服用，設(shè)計出符合產(chǎn)品運算速度的面積最小化的系統(tǒng)．表1列出系統(tǒng)實現(xiàn)的其他功能模塊采用的算法名稱、詳細算法及相關(guān)文獻． 3 設(shè)計實現(xiàn) 以一個可以完成32位規(guī)格加、減、模加、增減量、移位等基本功能的ALU為基本運算單元，在掃描鏈邏輯的控制下，可以完成乘、除、開方、模乘、模冪乘等多種復(fù)雜運算．設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示．大數(shù)值運算器的外接口信號分以下三類： (1)控制：功能，規(guī)格以及源、目的指示； (2)數(shù)據(jù)：來自體RAM的源操作數(shù)，運算結(jié)果到RAM的反饋； (3)狀態(tài)：運算結(jié)束，對體系相應(yīng)狀態(tài)寄存器的控制信號。 基本運算單元(ALU)：可在單周期內(nèi)完成32位加減、增(減)量、模加、左右移一位功能，其核心結(jié)構(gòu)如圖2所示，由輸入選通控制MUX-IN，32位加法器ADD，32位減法器SUB，移位邏輯SF和輸出選通控制MUX-OUT組成。 各功能在ALU中的具體實現(xiàn)方式見表2： 功能控制邏輯：完成各個功能的控制，可分為簡單功能和復(fù)雜功能兩類不同的控制． 1)簡單功能：32位規(guī)格以上的加減、模加、增(減)量、移位功能．功能實現(xiàn)通過多周期迭代調(diào)用ALU相應(yīng)功能實現(xiàn)，多次調(diào)用間保持進/借位傳遞。 2)復(fù)雜功能：模乘、模冪乘、乘除、開方功能.根據(jù)算法原理設(shè)計狀態(tài)機，根據(jù)掃描鏈邏輯的配合信號，通過調(diào)用簡單功能實現(xiàn)運算。 掃描鏈邏輯：當功能控制邏輯在完成復(fù)雜功能時，驅(qū)動掃描鏈邏輯動作．核心電路為32位的移位寄存器，掃描鏈邏輯可完成：待掃描數(shù)據(jù)的自動裝載和切換；掃描數(shù)據(jù)高位0的自動去除，即自動找到第一個1，并給出標識信號；在使能信號的控制下從高到低自動掃描數(shù)據(jù)，給出掃描結(jié)果；掃描結(jié)束給出結(jié)束信號。 4 測試及結(jié)論 本文提出了一種用于可重組安全芯片的，面積優(yōu)先、多功能、可重組的大數(shù)值運算器的實現(xiàn)方法設(shè)計支持的所有功能及規(guī)格如表3所示．所有模塊均在ModelSim環(huán)境下通過了邏輯仿真，并在Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA產(chǎn)品XC2V6000上經(jīng)過實際功能驗證。 使用Synopsys公司Design Compiler綜合工具，在臺基電(TSMC)0．25μm工藝和安全芯片要求的20Hz時鐘主頻下的綜合結(jié)果為13 887門．設(shè)計的結(jié)果與近年的幾個大數(shù)值運算器的對比見表4．可見本設(shè)計雖然運算速度稍慢，但設(shè)計規(guī)模同比大大降低，完全符合CSTU保密終端安全芯片對面積優(yōu)先的設(shè)計要求，速度也在設(shè)計允許范圍內(nèi)。 |
