文件存储系统中加密与认证算法的并行化研究与实现

摘要

随着信息技术的发展，信息的安全却面临着许多威胁和挑战。对日常使用的文件进行加密存储是保护信息安全的有效手段。数据加密和身份认证是文件加密存储中两个重要的模块。近年来，随着GPU和多核CPU等并行处理器的飞速发展，数据加解密和认证过程可通过并行化实现加速。为此，本文基于OpenCL并行编程模式，研究并实现了文件存储中加密和认证算法并行化。主要工作成果如下：
　　 1、基于OpenCL并行编程架构分别实现了AES、Serpent、Twofish和CAST分组加密算法的并行化。通过算法、存储器访问和内核参数的优化，在GTX480GPU上分别取得了每秒1354MB、1255 MB、1354 MB、1281 MB的加密吞吐率。通过在AMD X4、Intel i7四核CPU和单核AMD HD5970 GPU测试，与串行编程模式的CPU实现相比，并行编程模式下多核CPU取得2-4倍加速，GPU则取得17-80倍的加速。与目前己知的并行化分组密码实现相比，本论文实现能够运行在不同的并行处理器上，具有较好可移植性和通用性。
　　 2、通过OpenCL实现Microsoft Office、RAR、PDF、PGP Disk和Truecrypt等文件的口令恢复并行化。与串行的口令恢复相比，并行化的口令恢复在多核CPU上实现1.6-10倍加速，在GPU上则实现5-362倍的加速。此外根据并行化口令恢复对认证机制带来的影响，我们对口令认证机制安全性进行分析。通过分析可知，采用存取操作密集型(memory intensive)的认证算法能有效降低并行处理器加速比；加密算法的密钥长度大于128bits时，能有效抵御穷举密钥攻击；在不影响用户使用的情况下，提高散列函数迭代次数c能降低穷举攻击的速度；口令中包含数字、大写字母和小写字母，以及口令长度大于8时，能有效抵御口令穷举攻击。