异步并发的多密码算法运算关键技术研究

摘要

随着云计算应用的日益推广和天地一体化网络的推进，各种应用系统的用户数和业务量海量增长，使其计算和存储面临着大数据处理的挑战，同时也对业务和数据的安全提出了迫切需求。高性能综合密码系统作为为天地一体化网络、云计算等综合信息网络提供密码服务的关键基础设施，其能够提供的密码计算能力影响着整个网络系统的安全性能。 根据综合信息网络“信道开放、资源动态变化、实体类型多元、拓扑复杂”的特点，密码处理系统面临着业务随机多样、安全需求多元、密码算法多元、网络资源动态变化、链路信道特性各异，以及密码服务能力不断增长的功能和性能需求。本文针对千万量级在线并发密码作业在高性能综合密码系统上的运算需求，深入研究了异步并发多密码算法运算的关键技术，从系统架构和调度算法设计两个方面，解决多算法/多密钥/多数据流随机交叉加解密问题。利用负载均衡与多线程技术，解决密码服务IO排队造成的吞吐率瓶颈问题，实现计算资源的动态调配，解决静态计算资源和动态密码服务需求之间的矛盾，提高密码并发服务能力和高吞吐率的密码计算能力。主要研究工作和成果如下： （1）研究密码算法的运算特点，提出一种支持混合交叉业务高并发处理的异构多密码算法核并行处理架构FSPP（Four-Stage Parallel Processing），单芯片可支持多算法、多密钥、多IP核的高并发处理功能。此架构将数据的处理分为分转、预处理、运算及同步重组四个阶段，通过基于数据标识的分级处理机制实现作业包与算法IP核间的映射与数据处理，增设KSM存储器和KSM存取控制逻辑用于交叉访问下关联作业包中间状态的存取，保证混合工作模式下算法运算状态的全程跟踪。通过同步队列syn-queue和同步重组模块syn，保证交叉访问下输入、输出数据间的同步。 （2）针对高性能综合信息网络中海量业务安全需求的特点，研究数据流调度算法，结合上述提出的FSPP异构多核处理架构，提出了具有关联判断控制的基于业务标识的分层硬件调度方法HHS-ACDID，通过两级调度完成数据流作业包在算法簇和处理节点上的分配及执行。考虑到算法核的异构性，为提高多密码算法并行处理的效率，以负载均衡为调度目标，在HHS-ACDID基础上，综合考虑算法处理节点的存储容量和处理速度，设计了一种同时支持非关联任务和关联任务的负载均衡作业调度算法，提高了多业务异步并发的密码处理吞吐率。 （3）研究多任务并发同步技术，针对交叉业务流的数据处理场合，提出一种基于索引表的多密码算法多数据流同步处理方案。通过设计专门的低资源占用率的硬件同步电路，采用正在处理索引表、阻塞索引表、已处理索引表，对进入和流出算法核的作业包业务索引号进行记录，实现作业包的流向控制，保证处理单元工作的单一性和连续性，避免软同步方案编程复杂和可靠性低的问题，加速了密码业务的处理速度。 在上述研究和设计的基础之上，在Xilinx K7系列的XC7K325t FPGA上对方案进行了原型实现，通过随机交叉业务流密码运算在实际多核平台上的测试，验证了本文提出的异步并发多密码算法运算系统架构和调度算法的正确性及有效性，满足了高性能综合密码系统的功能和性能需求。

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第一章 绪论

1.1概述

1.2高性能综合密码系统应用需求

1.3主要研究内容和论文结构安排

第二章 相关技术国内外研究现状

2.1密码算法与密码设备

2.2多核密码处理器架构

2.3多核调度技术

2.4并发同步技术

第三章 异构多密码算法核并行处理架构

3.1 引言

3.2 线程级并行性分析

3.3高并发数据处理模型

3.4 总体设计

3.5 性能分析及测试

3.6 结论

第四章 多密码运算作业流调度方法

4.1引言

4.2任务模型

4.3基于业务标识的分层硬件调度算法

4.4基于负载均衡的随机作业流密码服务调度算法

4.5总结

第五章 多密码算法多数据流同步处理方法

5.1引言

5.2同步处理方法

5.3硬件实现

5.4性能分析及测试

5.5结论

第六章 结束语

6.1工作总结

6.2下一步工作展望

参考文献

致谢

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