算法可重构TPM芯片设计及其在移动支付系统应用研究

摘要

随着移动支付技术的快速发展和广泛应用，个人或企业的移动支付普及率越来越高，人们对移动支付中的通信安全以及数据安全关注增强，信息安全也已成为移动支付技术的热点领域。其中基于TPM安全芯片的安全系统设计及其关键技术的研究对提高支付系统安全性具有十分重要的意义。
　　本文首先介绍TPM中所涉及到的加解密算法的原理;其次，介绍了可重构设计技术理论及其分类，并给出可重构设计流程;然后，给出系统集成原理以及总线接口协议标准。接着根据加解密算法原理给出各个算法硬件实现，以及相应的改进原理;此外，根据算法可重构设计原理，具体针对对称算法和哈希算法给出可重构分析以及相应的可重构硬件实现;最后，针对所有安全模块给出对应仿真验证，以及FPGA板级验证，并且依据本文提出的算法可重构TPM芯片方案，给出了一种移动支付系统原型设计，并完成了相应交易数据保密通信原型的FPGA板级验证。
　　论文工作成果主要体现在:
　　(1)设计了TPMSoC中相关加解密算法模块，其中包含AES、DES、3DES、SM4、SHA2、ECC和PRNG的IP核，给出基于滑动窗口的模逆计算RTL级实现方案，实现了适用于SHA224-256和SHA384-512的五级流水线设计。
　　(2)针对加密模块中的对称算法和哈希算法分别就AES、DES、3DES、SM4以及SHA224-256、SHA384-512给出了相应的可重构设计方案，实现了加解密算法模块的可配置和防陷门设计，提高了加密模块的计算速度。
　　(3)基于PBOC3.0协议，给出一整套适用于本文设计的ECC模块以及SHA2模块等的数据加解密及数字签名、验签的流程，并给出相应的系统原型的软硬件设计，完成了整个系统的软硬件原型搭建。
　　此外，给出一个交易数据保密通信的原型验证，初步验证了整个系统的安全和有效性为后续移动支付应用开发打下基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．引言

1．2．国内外相关技术现状

1．3． 关键技术及其研究进展

1．3．1 加解密算法实现技术

1．3．2 算法应用可重构技术

1．3．3 安全支付芯片应用技术

1．4．主要研究工作及章节安排

第二章 加解密算法及其算法实现原理

2．1．加解密算法设计原理

2．1．1．对称算法原理

2．1．2．哈希算法原理

2．1．3．ECC算法原理

2．1．4．PRNG算法原理

2．2．可重构算法设计原理

2．2．1． 可重构计算概念

2．2．2．可重构计算分类

2．2．3．可重构设计流程

2．3．加密算法SoC实现架构

2．3．1．TPMSoC系统结构

2．3．2．AMBA系统总线

2．4．本章小结

第三章 加解密算法改进及其硬件实现

3．1．对称算法硬件设计实现

3．1．1．AES算法硬件设计实现

3．1．2．TDEA算法硬件设计实现

3．1．3．SM4算法硬件设计实现

3．2．哈希算法改进及硬件实现

3．2．1．SHA224-256算法改进与实现

3．2．2．SHA384-512算法改进与实现

3．3．ECC算法改进及硬件实现

3．3．1． 域运算模块设计实现

3．3．2．模逆运算改进与实现

3．3．3．点乘运算改进与实现

3．4．PRNG算法硬件设计实现

3．5．本章小结

第四章 算法可重构设计及其硬件实现

4．1．TPMSoC可重构设计分析

4．1．1 对称算法可重构设计分析

4．1．2 哈希算法可重构设计分析

4．2 对称算法可重构硬件实现

4．2．1 可重构字节替换硬件设计

4．2．2 可重构轮密钥存储单元设计

4．2．3 可重构ADS顶层模块设计

4．3 哈希算法可重构硬件实现

4．3．1 可重构Kt生成模块设计

4．3．2 可重构Ch和Maj模块设计

4．3．3 可重构轮循环模块设计

4．3．4 可重构SHA2顶层模块设计

4．4 本章小结

第五章 TPMSoC系统架构设计及仿真验证

5．1．TPMSoC架构及总线设计

5．1．1 算法可重构TPMSoC架构设计

5．1．2 安全模块AMBA总线接口设计

5．2．TPMSoC仿真验证及分析

5．2．1．ADS仿真验证及分析

5．2．2 SHA2仿真验证及分析

5．2．3 ECC仿真验证及分析

5．2．4 PRNG模块仿真验证

5．3．TPM SoC板级硬件测试

5．3．1．SoC综合结果

5．3．2．FPGA硬件测试

5．4．本章小结

第六章 移动支付系统原型设计及应用开发

6．1 数字签名和验签流程设计

6．1．1．数字签名设计

6．1．2．验签流程设计

6．2 移动支付系统硬件设计

6．2．1 磁卡刷卡模式

6．2．2 RFID读卡模式

6．2．3 接触式IC卡模式

6．2．4 SD卡BOOT模块

6．3 移动支付交易流程验证

6．3．1 交易数据加密及签名

6．3．2 交易数据解密及验签

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 工作展望

参考文献

硕士期间取得的成果

致谢